【线程基础】进程和线程

最新推荐文章于 2024-12-31 02:30:00 发布

晚渔声

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分类专栏：多线程技术文章标签： java 系统架构

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【线程基础】进程和线程

一.进程

进程就是操作系统提供的一种“软件资源”。我们现在所用的系统，都属于是“多任务操作系统”，就是说同一时刻，可以运行多个任务/进程。每个任务在执行过程中，都需要消耗一定的硬件资源。进程是系统分配资源的基本单位。

1.操作系统的进程管理

先描述（使用类/结构体这样的方式实现，把实体属性表示出来）
表示进程信息的结构体，叫做PCB（进程控制块，Process Control Block）。
再组织（使用一定的数据结构，把这些结构体/对象串到一起）
- 当我们看到任务管理器中的这些进程的时候，意味着系统内部就在遍历链表，并且打印每个节点的相关信息。
- 如果运行一个新的程序，系统中就会多一个进程。多的这个进程就需要构造出一个新的pcb，并且添加到链表上。
- 如果关掉一个程序，就需要把对应进程的pcb从链表中删除，并且销毁掉对应的pcb资源。
  事实上使用的数据结构不是链表，而是一个更复杂的链式结构。

2.PCB的核心属性

属性	功能
pid	pid是进程的身份标识（同一机器同一时刻不重复）
内存指针（一组）	描述这个进程能使用哪些内存（指令和数据），每个进程只能使用自己申请的内存
文件描述符表	描述了进程所涉及的硬盘相关资源
CPU	描述该进程所消耗的时间占CPU总运行时间的比例
状态	描述某个进程是否能够去CPU上执行（就绪状态、阻塞状态（比如说加锁、等待用户输入））
优先级	多个进程等待系统调度，调度的先后关系（先后、时长）
记账信息	统计每一轮各个进程占用CPU的时间，根据统计结果来调整下一轮次CPU的分配，防止某个进程完全分配不到CPU
上下文	支撑进程调度的重要属性，相当于游戏中的存档和读档

存档：在当前进程被调度出CPU之前，把当前寄存器中的这些信息，单独保存到一个地方。
读档：在该进程下次再去CPU上执行的时候，再把这些寄存器的信息给恢复回来。
操作系统将硬盘这样的设备，封装成了文件。一个进程要想操作文件，需要先“打开文件”，就是让进程在文件描述符表中分配一个表项，来表示这个文件的相关信息。

2.1 CPU分配——进程调度（Process Scheduling）

如何理解PCB中的CPU属性？
前面说到，CPU就是描述执行该进程的时间占CPU运行时间的比例。

CPU有数十个核心，每个核心都可以单独执行一个进程。但我们的电脑上不止数十个进程，那就意味着如果每个进程霸占一个核心，就会导致核心不够用的情况。那么CPU是如何解决这个问题的呢？

首先要清楚一个概念，在同一时刻一个核心只可以执行一个进程；但在不同时刻，同一核心就能执行不同的进程，也就是说在不同时刻可以执行不同的进程。
那可以先执行完一个进程，再执行别的进程吗，这显然也是不合理的。如果这样，一个电脑上不能同时存在 超过逻辑核心数 的进程，然而我们的电脑上有成百上千个进程，所以只能是进行分时复用。也就是并发执行：

先讨论单个核心的情况：
让这个核心先执行进程1的代码，执行一会儿之后，让进程1下来，再执行进程2的代码，进程2执行一段时间之后，让进程2下来，再让进程1上。每次执行都不一定能将该进程的指令执行完。
只要切换速度够快，人是感知不到切换的过程的。也就是说，在人肉眼看来，多个进程是在同时执行的。这就是并发。
现有的CPU都是多核的：
在单个核心并发处理多个进程的同时，多个核心还可以并行执行多个进程。
并行和并发同时存在，统称为并发。

所以说，PCB中的CPU属性，是执行时间占比。

2.2 内存分配——内存管理

不同进程使⽤内存中的不同区域，互相之间不会⼲扰。

2.3 进程间通信

现代的应⽤，要完成⼀个复杂的业务需求，往往⽆法通过⼀个进程独⽴完成，总是需要进程和进程进⾏配合。
所谓进程间的通信就是说：系统提供一些公共的空间（多个进程都可以访问到），让两个进程借助这种公共空间来交互数据。
目前主流操作系统提供的进程通信机制如下：

管道
共享内存
⽂件
⽹络
信号量
信号

为什么Java不鼓励多进程编程？
原因也是Java运行在JVM虚拟机上，如果要进行多进程编程，就需要启动多个JVM虚拟机，这显然是比较浪费资源的，而相对来说，多线程可以在一个JVM虚拟机上一起执行，所以Java中多线程编程运用的还是比较多的。

二.线程

有些场景下，多进程的表现不尽人意。具体就表现在需要频繁创建和销毁进程的时候。进程是系统分配资源的基本单位。频繁地创建和销毁进程就需要频繁地从内存中加载代码和数据。取指令的操作，相对于CPU执行计算，非常耗时、开销很大，主要体现在资源的申请和释放上。（这也是CPU缓存、流水线的原因）。

那线程是如何改进这一点的呢？

线程可以看作为“轻量级进程”。在进程的基础上，既保持了独立调度执行，又省去了“分配资源”、“释放资源”带来的额外开销。相对于进程，线程做到了资源共享，即多个线程共用一份内存空间（一个进程可以包含多个线程，进程是系统资源分配的基本单位）。当某个线程销毁的时候，也不会立即释放这块内存空间。
线程也使用PCB来描述，PCB中有一个重要属性，即内存指针。多个进程的内存空间不共用，多个线程（同一进程）之间的内存空间可以共用。
在这里插入图片描述
除了内存空间，多个线程还可以共享一份硬盘空间。

举个形象的例子，以吃饭为例：
在这里插入图片描述
在这个例子中，我们简单的将桌子理解为进程，将人理解为线程。
面对同样一个任务，多进程需要申请多份内存空间和文件描述符表（硬盘），就相当于吃饭时给每个人支了一张桌子。
而多线程就是在共用一份内存空间和文件描述符表（硬盘），就相当于多个人围着一张桌子吃饭。
这样，我们很容易理解多进程对于频繁申请和释放资源的弊端。