【很干】从发展角度深入进程线程

知识的学习在于点滴记录，坚持不懈；知识的学习要有深度和广度，不能只流于表面，坐井观天；知识要善于总结，不仅能够理解，更知道如何表达！

进程线程是一个很容易被问到的面试题，在面对这种题时我们应该怎么答呢？

进程时资源分配的基本单位，线程是资源调度的基本单位？

漏！大漏特漏！

我们应该试着从这些方面去答：

• 单线程、多线程(又分内核级线程和用户级线程)
• 单进程、多进程（TLB失效）
• 对于互斥资源我们还要进行 线程/进程 间互斥操作
• 线程/进程 间的同步操作

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我们下面讨论就不设计多核讨论了

单进程/单线程

个人认为，单线程也可以理解成单进程去认识；

当一个进程启动运行时，操作系统会将CPU的控制权给到进程，同时分配内存、寄存器等系统资源，既然可以当做单线程，那也可以说单线程享有这些资源；

• 那这存在什么问题呢？

答：我们在一个程序中通常会有大量的IO操作，比如访问磁盘、接受网络对端发过来的数据，在IO就绪之前，进程会处于阻塞态无法进行，进程就会让出CPU，直到IO就绪，才会唤醒CPU继续之前的操作。IO通常是比较慢的，这就造成CPU的性能不能被很好地利用；

以上，我们引入了多进程

多进程

单核情况下，由于有多个进程都需要执行，我们以AB两个进程举例子，当A进程在执行操作时，遇到IO事件，让出CPU，接着B进程拿到CPU的控制权就会执行，当A的IO事件就绪后会唤醒进程，A再拿到CPU控制权进行后续操作；

这样一来多进程就使得CPU多运行少阻塞以提高性能，换言之依旧是通过多进程的并发提高性能；

那多进程就完美了吗？

我对于这个问题，我们需要从切换进程发生什么这个角度去分析；

多进程中每个进程就好比每一门功课，并发执行中，当我们写语文作业时，写一会儿要去写数学，就会清理战场；收起语文课本，装起来钢笔（保存状态），拿出数学课本、三角尺、铅笔（设置新的运行环境）这样的操作；

从上面我们可以看到进程的切换还是有一定的开销的，然后我们引入多线程解决这一问题；

多线程

我们仍以单核的情况进行讨论；

一个进程的内部被划分为多个线程，其中主线程的生命周期是和进程共进退的；

多进程中切换进程时产生的进程间切换产生的开销，在多线程中就得到了改善；

进程中有多个线程（比如1、2线程），线程1在执行中碰到IO事件后，线程调度器就会使得线程2介入，这其中的开销就比进程切换小了；

进程是资源分配的基本单位，它拥有一个完整的虚拟地址空间，多线程共享这里面的资源，不过操作系统为每个线程还维护了一个独立的栈，线程间独立栈是不可被交叉访问的；

线程间的切换只需要保存少量的寄存器（如程序计数器）就可以做到上下文切换只产生少量开销；

最终要的是，因为进程间不共享地址空间，进程切换操作会带来TLB（一个高速cache）失效的问题！统一进程的线程共享进程的虚拟地址空间，线程间的切换不会使得TLB失效！

总结一下：

• 线程间切换只需要保存少量寄存器，且线程各自维护一个独立栈空间
• 线程间切换不会使得TLB失效

通信

进程间

• pipe无名管道（半双工）
• fifo命名管道（全双工）
• 消息队列
• 共享内存
• socket

这里引入帅地前辈的一篇进程间通信，一步一步让你记住这些

进程间通信

进程间的互斥操作可以用互斥锁、信号量解决

线程间

由于同一进程内多线程是共享进程的虚拟地址空间的，那么他们的通信就很好解决了，直接访问共享空间就好

线程间的互斥操作可以使用互斥锁+条件变量解决；甚至可以不用信号量；

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以上我相信大家对线程进程的感受就比较深了，下次再遇到这样的问题就不用两句话结束，下面我们再稍微总结一下；

• 进程是资源分配的基本单位，线程是资源调度的基本单位
• 避免IO操作的阻塞，可以进程多进程的并发执行
• 避免进程间开销过大，引入线程的并发执行
• 每个进程享有独立的虚拟地址空间，进程切换TLB失效
• 多线程维护独立的栈空间，共享进程的虚拟地址空间，线程切换TLB不失效

下面聊一个面试可能被问到的问题，并给出我个人理解

• 计算密集型和IO密集型怎么选择多进程和多线程？

答：

1. 计算密集型是需要CPU进行大量运算，通常需要获得更长的CPU时间片而不是频繁切换，所以使用多进程；

2. IO密集型不需要CPU提供强大算力，可以通过频繁切换达到高并发效果，因此使用多线程

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