進程、線程和上下文切換

進程是什麼？

狹義定義：進程是正在運行的程序的實例（an instance of a computer program that is being executed）。

廣義定義：進程是一個具備必定獨立功能的程序關於某個數據集合的一次運行活動。它是操做系統動態執行的基本單元，在傳統的操做系統中，進程既是基本的分配單元，也是基本的執行單元。

進程的概念主要有兩點：第一,進程是一個實體。每個進程都有它本身的地址空間，通常狀況下，包括文本區域（textregion）、數據區域（data region）和堆棧（stack region）。文本區域存儲處理器執行的代碼；數據區域存儲變量和進程執行期間使用的動態分配的內存；堆棧區域存儲着活動過程調用的指令和本地變量。第二，進程是一個「執行中的程序」。程序是一個沒有生命的實體，只有處理器賦予程序生命時（操做系統執行之），它才能成爲一個活動的實體，咱們稱其爲進程。[3] 

進程是操做系統中最基本、重要的概念。是多道程序系統出現後，爲了刻畫系統內部出現的動態狀況，描述系統內部各道程序的活動規律引進的一個概念,全部多道程序設計操做系統都創建在進程的基礎上。

特徵

動態性：進程的實質是程序在多道程序系統中的一次執行過程，進程是動態產生，動態消亡的。

併發性：任何進程均可以同其餘進程一塊兒併發執行

獨立性：進程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統分配資源和調度的獨立單位；

異步性：因爲進程間的相互制約，使進程具備執行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推動

結構特徵：進程由程序、數據和進程控制塊三部分組成。

多個不一樣的進程能夠包含相同的程序：一個程序在不一樣的數據集裏就構成不一樣的進程，能獲得不一樣的結果；可是執行過程當中，程序不能發生改變。

 

線程是什麼？

線程，有時被稱爲輕量級進程(LightweightProcess，LWP），是程序執行流的最小單元。一個標準的線程由線程ID，當前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進程中的一個實體，是被系統獨立調度和分派的基本單位，線程本身不擁有系統資源，只擁有一點兒在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進程的其它線程共享進程所擁有的所有資源。一個線程能夠建立和撤消另外一個線程，同一進程中的多個線程之間能夠併發執行。因爲線程之間的相互制約，導致線程在運行中呈現出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運行三種基本狀態。就緒狀態是指線程具有運行的全部條件，邏輯上能夠運行，在等待處理機；運行狀態是指線程佔有處理機正在運行；阻塞狀態是指線程在等待一個事件（如某個信號量），邏輯上不可執行。每個程序都至少有一個線程，若程序只有一個線程，那就是程序自己。

特色

在多線程OS中，一般是在一個進程中包括多個線程，每一個線程都是做爲利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具備如下屬性。

1）輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。

線程的實體包括程序、數據和TCB。線程是動態概念，它的動態特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括如下信息：

（1）線程狀態。

（2）當線程不運行時，被保存的現場資源。

（3）一組執行堆棧。

（4）存放每一個線程的局部變量主存區。

（5）訪問同一個進程中的主存和其它資源。

用於指示被執行指令序列的程序計數器、保留局部變量、少數狀態參數和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

2）獨立調度和分派的基本單位。

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，於是也是獨立調度和分派的基本單位。因爲線程很「輕」，故線程的切換很是迅速且開銷小（在同一進程中的）。

3）可併發執行。

在一個進程中的多個線程之間，能夠併發執行，甚至容許在一個進程中全部線程都能併發執行；一樣，不一樣進程中的線程也能併發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍設備並行工做的能力。

4）共享進程資源。

在同一進程中的各個線程，均可以共享該進程所擁有的資源，這首先表如今：全部線程都具備相同的地址空間（進程的地址空間），這意味着，線程能夠訪問該地址空間的每個虛地址；此外，還能夠訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。因爲同一個進程內的線程共享內存和文件，因此線程之間互相通訊沒必要調用內核。

進程和線程之間的關係？

1、一個線程只能屬於一個進程，而一個進程能夠有多個線程，但至少有一個線程（一般說的主線程）。
2、資源分配給進程，同一進程的全部線程共享該進程的全部資源。
3、線程在執行過程當中，須要協做同步。不一樣進程的線程間要利用消息通訊的辦法實現同步。
4、處理機分給線程，即真正在處理機上運行的是線程。
5、線程是指進程內的一個執行單元，也是進程內的可調度實體。
從三個角度來剖析兩者之間的區別
1、調度：線程做爲調度和分配的基本單位，進程做爲擁有資源的基本單位。
2、併發性：不只進程之間能夠併發執行，同一個進程的多個線程之間也能夠併發執行。
3、擁有資源：進程是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統資源，但能夠訪問隸屬於進程的資源。

什麼是守護進程？

在linux或者unix操做系統中，守護進程（Daemon）是一種運行在後臺的特殊進程，它獨立於控制終端而且週期性的執行某種任務或等待處理某些發生的事件。因爲在linux中，每一個系統與用戶進行交流的界面稱爲終端，每個今後終端開始運行的進程都會依附於這個終端，這個終端被稱爲這些進程的控制終端，當控制終端被關閉的時候，相應的進程都會自動關閉。可是守護進程卻能突破這種限制，它脫離於終端而且在後臺運行，而且它脫離終端的目的是爲了不進程在運行的過程當中的信息在任何終端中顯示而且進程也不會被任何終端所產生的終端信息所打斷。它從被執行的時候開始運轉，直到整個系統關閉才退出。

上下文切換

上下文切換(Context Switch)，也稱爲PCB，性質爲環境切換。

上下文切換，有時也稱作進程切換或任務切換，是指CPU從一個進程或線程切換到另外一個進程或線程。

在操做系統中，CPU切換到另外一個進程須要保存當前進程的狀態並恢復另外一個進程的狀態：當前運行任務轉爲就緒（或者掛起、刪除）狀態，另外一個被選定的就緒任務成爲當前任務。上下文切換包括保存當前任務的運行環境，恢復將要運行任務的運行環境。

進程上下文用進程的PCB（進程控制塊,也稱爲PCB，即任務控制塊）表示，它包括進程狀態，CPU寄存器的值等。

一般經過執行一個狀態保存來保存CPU當前狀態，而後執行一個狀態恢復從新開始運行。

在上下文切換過程當中，CPU會中止處理當前運行的程序，並保存當前程序運行的具體位置以便以後繼續運行。從這個角度來看，上下文切換有點像咱們同時閱讀幾本書，在來回切換書本的同時咱們須要記住每本書當前讀到的頁碼。在程序中，上下文切換過程當中的「頁碼」信息是保存在進程控制塊（PCB）中的。PCB還常常被稱做「切換幀」（switchframe）。「頁碼」信息會一直保存到CPU的內存中，直到他們被再次使用。

在三種狀況下可能會發生上下文切換：中斷處理，多任務處理，用戶態切換。在中斷處理中，其餘程序」打斷」了當前正在運行的程序。當CPU接收到中斷請求時，會在正在運行的程序和發起中斷請求的程序之間進行一次上下文切換。在多任務處理中，CPU會在不一樣程序之間來回切換，每一個程序都有相應的處理時間片，CPU在兩個時間片的間隔中進行上下文切換。對於一些操做系統，當進行用戶態切換時也會進行一次上下文切換，雖然這不是必須的。

操做系統或者計算機硬件都支持上下文切換。一些現代操做系統經過系統自己來控制上下文切換，整個切換過程當中並不依賴於硬件的支持，這樣作可讓操做系統保存更多的上下文切換信息

上下文切換的消耗

上下文切換一般是計算密集型的。也就是說，它須要至關可觀的處理器時間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都須要納秒量級的時間。因此，上下文切換對系統來講意味着消耗大量的 CPU 時間，事實上，多是操做系統中時間消耗最大的操做。

性能影響：

上下文切換會對性能形成負面影響。一些上下文切換相對其餘切換而言更加昂貴；其中一個更昂貴的上下文切換是跨核上下文切換（Cross-Core Context Switch）。一個線程能夠運行在一個專用處理器上，也能夠跨處理器。由單個處理器服務的線程都有處理器關聯（Processor Affinity），這樣會更加有效。在另外一個處理器內核搶佔和調度線程會引發緩存丟失，做爲緩存丟失和過分上下文切換的結果要訪問本地內存。總之，這稱爲「跨核上下文切換」。