操做系統中的進程和線程

操做系統中的進程和線程

1.進程和線程的學習中容易混亂的地方

之因此以爲進程和線程難以理解，大概有這麼幾個緣由：

• 進程，線程的概念是不斷髮展的，不一樣時期的書籍會有不一樣的闡述，如一開始內核不支持線程到後來內核開始支持線程
• 經典的書籍如《現代操做系統》可能是從原理的角度去說，高屋建瓴，可是難以有切身感覺
• 操做系統對進程和線程的實現也是不一樣的，架構者對進程和線程的理念有所不一樣，Linux和Windows內核對線程的實現不一樣。

2.進程模型的演變

最初，進程的內涵分爲兩個方面：

• 調度，執行的基本單位

最初操做系統不支持線程的概念，內核中維護着進程的各類信息，如運行狀態，優先級，寄存器等，也就是說OS能夠根據這些信息調度和執行進程。

• 資源全部權

包括程序，數據，文件，socket 等資源。

將兩個獨立的功能分離，出現了線程的概念：

• 做爲執行與調度的基本單位——thread
• 資源全部權： process

這也就是常常說的："process是資源容器，thread是執行單位"。這樣帶來的巨大好處是：

• 線程的建立成本遠遠低於進程，由於線程中包含的數據量少於進程，線程只須要執行相關的數據便可，如，pc,寄存器，棧，執行狀態
• 進程中的線程共享地址空間，進程間的通訊的代價遠大於線程間的通訊。

3.三種線程模型

<1>用戶級線程

彼時操做系統沒有提供對線程的支持，只是在應用層面實現了線程，操做系統並不知道，，內核維護着進程表，仍然以進程爲單位進行系統調用。進程自身維護着線程表，維護線程的狀態。

• 優點

  • 不用切換到內核態，性能極佳，
  • 進程本身能夠有定製的調度算法
  • 在不支持多線程的操做系統實現多線程程序，如DOS

• 劣勢

  • 對線程的操做，如建立，調度，都是應用程序實現，致使編程困難
  • 由於操做系統只知進程不知線程，也就只能調度進程而沒法調度線程，全部只要一個線程所在的進程發生了阻塞，那操做系統即阻塞該進程，那麼該進程的其餘線程也就沒法被調度，至關於阻塞了。目前使用用戶線程的程序愈來愈少了。

<2>內核級線程

後來，操做系統內核開始支持線程，就出現了內核級線程模型。這種線程模型中，內核維護着進程表和線程表，也就是說，內核能夠對線程直接進行調度，

• 優點

  • 內核的調度粒度小至線程，就不會出現用戶級進程那種阻塞了進程，進程中全部線程都被迫「阻塞」的狀況，內核線程被阻塞，不會致使進程被阻塞，進程中的其餘線程依然能夠繼續執行

• 劣勢

  • 開銷挺大，從用戶態到內核態的切換有必定的開銷
  • 支持的線程總量較小，由於內核線程佔據內核的空間，而內核所持有的空間是有限的

通常而言，程序不會直接使用內核線程，而是使用內核線程的高級接口——輕量級進程。輕量級進程和內核線程是1:1的關係。

<3>混合線程

有些操做系統支持，如Solaris平臺。比較主流的windows和linux不支持。

4.歸納進程和線程的本質

• 進程：當用戶啓動一個應用,系統將程序的源碼和數據從磁盤加載到內存中,而且開始執行他的源碼。一個進程即一個正被執行中的程序。與程序不一樣, 一個進程是一個活躍的實體 ,而且包含了程序做爲單個實例在執行期間狀態的快照。
• 線程：一個線程的本質是一組寄存器的狀態，是操做系統對寄存器狀態的抽象。

5.特殊的Linux線程實現

Linux對進程與線程的實現比較特殊，對於Linux內核來講，並不存在線程的說法，可是Linux中進程與進程能夠是有區別的。對於linux內核來講，只有進程，建立進使用系統調用clone，可經過設置該方法的參數設置進程是否共享某些數據，好比：

• fork():建立子進程，經過調用0共享的clone，建立的進程是徹底複製父進程的數據，兩者不共享不可見。
• pthread_create：經過調用最多共享的clone實現，就至關於通常意義上的線程了。

能夠看到Linus對進程與線程的觀點：
Linus的觀點，Re: proc fs and shared pids