进程与线程

进程与线程

进程是操作系统中的应用程序、是资源分配的基本单位，

线程是用来执行具体的任务和功能，是CPU调度和分派的最小单位

一个进程往往可以包含多个线程，至少包含一个

一、进程的的概念

引用线程之前进程的概念：

进程是表示资源分配的基本单位，也是调度运行的基本单位。例如，用户运行自己的程序，系统就创建一个进程，并为它分配资源，包括内存空间、磁盘空间、I/O设备等。然后，把该进程放入进程的就绪队列。进程调度程序选中它，为它分配CPU以及其它有关资源，该进程才真正运行。所以，进程是系统中的并发执行的单位。

360浏览器是一个进程、WPS也是一个进程，正在操作系统中运行的".exe"都可以理解为一个进程。

二、为什么引入线程？

处理机管理是操作系统的基本管理功能之一，它所关心的是处理机的分配问题。也就是说把CPU(中央处理器)的使用权分给某个程序，通常把这个正准备进入内存的程序称为作业，当这个作业进入内存后我们把它称为进程。

自从60年代提出进程概念，在操作系统中一直都是以进程作为能独立运行的基本单位的。直到80年代中期，人们又提出了比进程更小的能独立运行的基本单位 ——线程；试图用它来提高系统内程序并发执行的速度，从而可进一步提高系统的吞吐量。

如果说，在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序并发执行，以改善资源利用率及提高系统的吞吐量；那么，在操作系统中再引入线程则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。为了说明这一点，我们首先回顾一下未引入线程时进程的两个属性：

(1) 进程是一个可拥有资源的独立单位；

(2) 进程同时又是一个可以独立调度和分派的基本单位。正是由于进程具有这两个基本属性，才使之成为一个能独立运行的基本单位，从而也就构成了进程并发执行的基础。

然而为使程序能并发执行，系统还必须进行以下的一系列操作：

(1) 创建进程。系统在创建进程时，必须为之分配其所必需的、除处理机以外的所有资源。如内存空间、I／0设备以及建立相应的PCB。

(2) 撤消进程。系统在撤消进程时，又必须先对这些资源进行回收操作，然后再撤消PCB。

(3) 进程切换。在对进程进行切换时，由于要保留当前进程的CPU环境和设置新选中进程的CPU环境，为此需花费不少处理机时间。

简言之，由于进程是一个资源拥有者，因而在进程的创建、撤消和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销。也正因为如此，在系统中所设置的进程数目不宜过多，进程切换的频率也不宜太高，但这也就限制了并发程度的进一步提高。

三、线程的概念

如何能使多个程序更好地并发执行，同时又尽量减少系统的开销，已成为近年来设计操作系统时所追求的重要目标。于是，有不少操作系统的学者们想到，可否将进程的上述两个属性分开，由操作系统分开来进行处理。即对作为调度和分派的基本单位，不同时作为独立分配资源的单位，以使之轻装运行；而对拥有资源的基本单位， 又不频繁地对之进行切换。正是在这种思想的指导下，产生了线程概念。

线程是进程中执行运算的最小单位，亦即执行处理机调度的基本单位。如果把进程理解为在逻辑上操作系统所完成的任务，那么线程表示完成该任务的许多可能的子任务之一。

引入线程的好处：

(1) 易于调度。

(2) 提高并发性。通过线程可方便有效地实现并发性。进程可创建多个线程来执行同一程序的不同部分。

(3) 开销少。创建线程比创建进程要快，所需开销很少。

(4) 利于充分发挥多处理器的功能。通过创建多线程进程（即一个进程可具有两个或更多个线程），每个线程在一个处理器上运行，从而实现应用程序的并发性，使每个处理器都得到充分运行。

四、进程和线程的区别和联系

进程和线程的关系：

(1) 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。

(2) 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。 同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量)，数据段(全局变量和静态变量)，扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。

(3) 处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。

(4) 线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

在引入线程的操作系统中，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源 (如程序计数器、一组寄存器和栈)，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程；同一进程中的多个线程 之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中也呈现出间断性。相应地，线程也同样有就绪、阻塞和执行三种基本状态，有的系统中线程还有终止状态。

进程 线程的区别

1. 线程是程序执行的最小单位，而进程是操作系统分配资源的最小单位；

2. 一个进程由一个或多个线程组成，线程是一个进程中代码的不同执行路线；

3. 进程之间相互独立，但同一进程下的各个线程之间共享程序的内存空间(包括代码段，数据集，堆等)及一些进程级的资源(如打开文件和信号等)，某进程内的线程在其他进程不可见；

4. 调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

1.地址空间：

进程之间是独立的地址空间，但同一进程的线程共享本进程的地址空间。

2.资源占用

同一进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu等，但是进程之间的资源是独立的。

3.健壮性

一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响；
一个线程崩溃整个进程都死掉，所以多进程要比多线程健壮。

4.执行过程

进程可以独立执行，且每个独立的进程程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。
线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。线程是处理器调度的基本单位，但是进程不是。

5.并发和资源消耗

两者均可并发执行。
进程切换时，消耗的资源大，效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。
如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程不能用进程

多进程的优点：
①编程相对容易；通常不需要考虑锁和同步资源的问题。
②更强的容错性：比起多线程的一个好处是一个进程崩溃了不会影响其他进程。
③有内核保证的隔离：数据和错误隔离。 对于使用如C/C++这些语言编写的本地代码，错误隔离是非常有用的：采用多进程架构的程序一般可以做到一定程度的自恢复；（master守护进程监控所有worker进程，发现进程挂掉后将其重启）。

多线程的优点：
①创建速度快，方便高效的数据共享
共享数据：多线程间可以共享同一虚拟地址空间；多进程间的数据共享就需要用到共享内存、信号量等IPC技术。
②较轻的上下文切换开销 - 不用切换地址空间，不用更改寄存器，不用刷新TLB。
③提供非均质的服务。如果全都是计算任务，但每个任务的耗时不都为1s，而是1ms-1s之间波动；这样，多线程相比多进程的优势就体现出来，它能有效降低“简单任务被复杂任务压住”的概率。

五、应用场景

1. 多进程应用场景

• nginx主流的工作模式是多进程模式（也支持多线程模型）
• 几乎所有的web server服务器服务都有多进程的，至少有一个守护进程配合一个worker进程，例如apached,httpd等等以d结尾的进程包括init.d本身就是0级总进程，所有你认知的进程都是它的子进程；
• chrome浏览器也是多进程方式。 （原因：①可能存在一些网页不符合编程规范，容易崩溃，采用多进程一个网页崩溃不会影响其他网页；而采用多线程会。②网页之间互相隔离，保证安全，不必担心某个网页中的恶意代码会取得存放在其他网页中的敏感信息。）
• redis也可以归类到“多进程单线程”模型（平时工作是单个进程，涉及到耗时操作如持久化或aof重写时会用到多个进程）

1. 多线程应用场景

• 线程间有数据共享，并且数据是需要修改的（不同任务间需要大量共享数据或频繁通信时）。
• 提供非均质的服务（有优先级任务处理）事件响应有优先级。
• 单任务并行计算，在非CPU Bound的场景下提高响应速度，降低时延。
• 与人有IO交互的应用，良好的用户体验（键盘鼠标的输入，立刻响应）
• 案例：桌面软件，响应用户输入的是一个线程，后台程序处理是另外的线程；

选什么？
①需要频繁创建销毁的优先用线程（进程的创建和销毁开销过大）
这种原则最常见的应用就是Web服务器了，来一个连接建立一个线程，断了就销毁线程，要是用进程，创建和销毁的代价是很难承受的

②需要进行大量计算的优先使用线程（CPU频繁切换）
所谓大量计算，当然就是要耗费很多CPU，切换频繁了，这种情况下线程是最合适的。
这种原则最常见的是图像处理、算法处理。

③强相关的处理用线程，弱相关的处理用进程
什么叫强相关、弱相关？理论上很难定义，给个简单的例子就明白了。
一般的Server需要完成如下任务：消息收发、消息处理。“消息收发”和“消息处理”就是弱相关的任务，而“消息处理”里面可能又分为“消息解码”、“业务处理”，这两个任务相对来说相关性就要强多了。因此“消息收发”和“消息处理”可以分进程设计，“消息解码”、“业务处理”可以分线程设计。
当然这种划分方式不是一成不变的，也可以根据实际情况进行调整。

④可能要扩展到多机分布的用进程，多核分布的用线程