進程與線程--原理

        所謂白話便是將事物的原理用通俗易懂的語言表達出來，接下來咱們就說一說咱們平時用到的進程與線程在操做系統中是如何被管理以及調度的。

        其實操做系統本質上的意義就是如何讓咱們更方便的來使用這些如 cpu、內存、網卡 等物理設施，給咱們的生活帶來便利或更優質的生活享受。如咱們打開電腦後，啓動操做系統，安裝應用就能夠在線看電視或者打遊戲。或者對於咱們技術人員來說，在咱們的開發過程當中，假如咱們要讀取硬盤中的數據，咱們直接調用read系統調用就能夠，咱們無需去關心磁頭的移動與柱面扇區如何移動才能讀出數據。或者咱們分配內存，咱們直接調用malloc系統調用就能夠分配內存，咱們也無需關心內存條到底還有多少空閒。

        因此操做系統就是將咱們從那些瑣碎的重複的勞動中解放出來，方便咱們的生活與工做。 那麼咱們開始今天的話題，先說一下進程，而後再說一線程，最後再總結一下進程與線程的區別與應用方面的考慮。

        什麼是進程？

        咱們的計算機要爲咱們的生活服務，咱們一邊寫着博客，同時還得聊着QQ，還得幫我收取郵件，咱們但願計算機同時能幫咱們作到這些事情，那麼就有了進程。進程就是在操做系統中作某件事情的一段程序的實例，如今個人電腦裏就運行着瀏覽器進程、QQ客戶端進程、郵件進程還有其餘操做系統的一些基礎進程，因此計算機能在我寫博客的時候收取郵件還能發送QQ消息，固然對於cpu來說，某一個時刻只會運行一個進程，可是咱們的操做系統有任務調度程序，讓cpu根據調度來在這些進程之間不斷的切換。在一秒鐘以內，操做系統就會在不一樣的進程中切換不少次，這也是對於咱們人來說，感受就像是計算機在同時作這幾件事情，但對於cpu來說他是在不一樣進程之間的執行來回切換。

      進程在操做系統中是如何管理的？

      咱們經過上面知道了，操做系統中運行着各類不一樣任務的進程，有收發郵件的、有聊天的、有瀏覽器的，可是操做系統是如何讓這些進程不斷的來回切換而且是如何切換的呢。

      咱們知道其實計算機的就是在不斷的進行計算，對數據進行處理。cpu發送指令從內存中讀取程序指令而後經過總線放入不一樣的寄存器，而後再從寄存器中讀入cpu進行運算而後再放入寄存器或寫入內存。

      其實一切的程序都是如此運行，當在操做系統中運行一個程序就是啓動一個進程，在操做系統中運行一個進程的時候，若是是第一次運行，操做系統就會爲此進程分配內存空間，這些空間包括不可更改的指令空間（文本段），就是存儲要運行的程序的指令的；數據段，變量的值都存在這裏；還有棧（堆棧）空間，這裏存放在調用函數時局部變量在計算過程當中的變化以及結果，隨着函數調用或結束，這裏的空間也在增長或縮小；還有堆空間，程序中動態分配的內存空間將分配在這裏。然後操做系統將指令空間的內存地址放入寄存器，由cpu開始讀取執行，沿着代碼段執行，在執行過程當中爲了保存結果或執行進度將變量的值或函數的調用過程放入相應的空間以及指令的執行進度放入相應的寄存器。

       在操做系統中系統維護着一張進程表，這裏存儲着系統中運行的全部進程，每一項進程都佔用一個進程表項。這個表項數據結構中存儲着進程的不少重要信息，如在系統調度讓cpu運行下一的進程時，把當前進程運行時的鏡像所有保存下來，爲了當再次運行此進程時恢復當時運行的場景。好比 程序計算器（程序執行到哪） 堆棧指針（執行過程當中的變相值） 各寄存器中的值 文件的打開狀態 等一切運行時的信息，還有進程自己的一些信息 好比運行此進程的賬號以及優先級之類的屬性信息。

       因此，操做系統是根據調度程序來決定運行哪一個進程，當要運行某個進程時，會把當時正在運行的進程時的一塊兒用於恢復當時場景的數據都保存在系統維護的進程表中對應的進程信息存儲的數據結構中，當調度程序再次運行此進程時，將保存的這些信息改放入寄存器的放入對應的起存期，恢復到堆棧的恢復到堆棧，繼續執行上一次運行指令的下一次指令。

      什麼是線程？

     之因此會有線程，是由於在進程中運行多種活動時，當進行某一項活動時好比讀取磁盤數據，此時進程就處於阻塞狀態，整個事情的進展就處於暫時的中止狀態，若是咱們將進程中的多種工做分派給不一樣的線程去處理，好比一個線程在向內存中寫入數據，一個線程在分析數據，這樣就不會在讀取數據的時候沒法分析數據了。這就是爲何會有線程的概念。

     其次線程能夠共享進程中的資源好比打開的文件、全局變量等公共資源，另外線程比進程更輕量級，建立和銷燬比進程要快10-100倍。這兩個也是線程之因此存在的緣由。

     線程在進程的內存空間中有本身的內存空間用來臨時保存本身的堆棧或寄存器內容或程序計數器，用來恢復繼續運行，進程中不一樣的線程不像不一樣的進程之間存在着很大的獨立性，全部線程都有徹底同樣的地址空間，這意味着線程之間共享全局變量。因爲各個線程均可以訪問進程地址空間中的任意內存地址，因此一個線程能夠修改讀取甚至刪除另外一線程的堆棧，線程之間是沒有保護的。由於不一樣的線程確定來自同一進程也就是同一用戶，他們之間不會有敵意，他們之間還能夠共享打開的文件集、子進程、以及相關信號。而不一樣的線程之間的通訊就複雜的多，同一進程中的多個線程是相互信任的，而不一樣的進程之間是不信任的。

其實線程就是進程中的又一執行單位，進程中不一樣的線程只是運行的進度不一樣，其餘都是能夠共享的。

進程空間地址存儲的內容	線程空間地址中存在的內容
地址空間	程序計數器
全局變量	寄存器
打開的文件集	堆棧
子進程	狀態
帳戶信息
優先級
信號

     那麼何時該使用線程？由於咱們知道線程是在進程中的運行時不斷交替運行的單位，當某一線程遇到io阻塞，這個時候讓當前線程等待總線上的數據，保存當前線程的現場（堆棧和寄存器），運行另外一線程。因此當某項工做大多時進行的都是cpu運算，那麼多線程顯然毫無心義，並且還會增長線程之間切換保存線程的額外工做，因此cpu密集型的工做不適合用線程。可是當工做中有運算和iO處理工做時，顯然將這些工做分配給多線程是能夠不浪費cpu寶貴的運算時間，讓cpu忙起來提升工做效率的好辦法。

    那麼操做系統如何管理線程的呢？咱們應該如何利用這種機制呢？

    第一種是操做系統不知道進程中運行着多線程，咱們在用戶空間調用庫函數在進程中運行和調度多個線程，經過維護一張線程表來管理這些線程，操做系統拿這個進程就當是普通的進程。

     這種方式的優勢就是操做系統計算不支持多線程機制，咱們也能夠照樣使用多線程來高效的完成咱們的工做。咱們能夠在進程中經過本身的算法來調度線程的運行，並且在進程中建立或銷燬線程比在操做系統內核空間中要節約資源，無需像在內核中發生大量的上下文切換以及現場保存工做。

     這種方式的缺點就是因爲操做系統並不知道進程中的多線程，因此當進程中的某一個線程發生系統調用陷入系統內核中時，操做系統會將這個進程阻塞，運行其餘進程，它不知道也不會管該進程中是否有其餘線程在運行着。還有就是在用戶空間中運行多線程，當某一個多線程一直佔用cpu時，在當前進程的運行時刻，因爲用戶空間中沒有時鐘機制，因此其餘線程只能等待，無能爲力。

     第二種就是操做系統支持多線程，那麼進程中的線程就交由操做系統來管理，當進程中某一線程發生阻塞時，操做系統會選擇此進程中的另外一線程繼續運行，並且當某一線程佔用cpu時間過長時，操做系統也會根據時鐘阻塞線程，這也算是相對於用戶空間來講的優勢。可是畢竟是在內核中由操做系統來管理線程，不管線程的建立仍是管理消耗的資源都比在用戶空間大，這也是內核管理多線程的缺點。

     前面兩種模式都各有優缺點，若是能將其結合到一塊兒，各取其優勢，應該會更好。

     一種作法是使用內核級線程，而後將用戶級線程與內核級線程多路複用起來。這樣，用戶就能夠決定有多少個用戶級線程和多少內核級線程多路複用，這樣會更加靈活。