《C#併發編程經典實例》學習筆記-進程(process)和線程(thread)

本文主要參考自孫鍾秀主編的《操做系統教程》一書中關於進程和線程的部分。

進程

爲何引入進程？

一，刻畫系統動態性，發揮系統併發性，提升資源利用率。

以C#爲例，在編輯器Visual Studio Code寫了幾行代碼，保存爲cs文件。在未運行狀態的下的代碼，稱之爲靜態的程序。靜態的程序是一個相對的概念。當程序運行起來，它的運行依賴於處理器（CPU）和主存儲器資源，我能夠稱之爲動態的程序。以該程序動態執行的過程爲基本單位，抽象出一個概念，進程，即進行中的程序。

進程二字，主要是強調動態性。處理器調動進程，存儲器爲進程分配進程空間，爲處理器分配調動控制進程的空間，進程所以建立。當資源不足，或者需等待某個事件發生，進程暫停執行。乃至最後進程運行結果，程序退出主存儲器，進程消亡。進程的出現到消亡，無疑是在不斷地動態變化。

二，解決共享性。

當你完成一個公用函數時，該函數能夠被多個程序調用。

函數A在被程序甲調用，程序甲正在等待寫入磁盤數據操做的返回，處理器空閒，爲提升處理器利用效率，程序乙於此同時開始執行，進入起始點a。

此時，如何描述函數A？A處於等待點？A處於起始點a？試着引入進程的概念，將函數和程序聯繫起來，A對於程序甲構成進程A_甲，A對於程序乙構成進程A_乙。進程A_甲處於等待點，進程A_乙處於起始點。

進程（process）這個名詞最先是1960年在MIT的MULTICS和IBM公司的 TSS/360系統中提出的，直到目前對進程的定義和名稱均不統一，不一樣的系統中採用不一樣的術語名稱，例如，MIT稱進程（process），IBM公司稱任務（task）和 Univac公司稱活動（active）。能夠說進程的定義多種多樣，國內學術界較爲一致的見解是：進程是一個可併發執行的具備獨立功能的程序關於某個數據集合的一次執行過程，也是操做系統進行資源分配和保護的基本單位（1978 年全國操做系統學術會議）。

進程屬性：

1. 結構性。進程至少有三要素組成：程序塊、數據塊、進程控制塊。
2. 共享性。多個進程可共享相同的程序。
3. 動態性。進程是動態的概念，有生命週期。程序做爲一組有序指令的序列合集，是靜態概念，程序能夠做爲一種系統資源永遠存在。
4. 獨立性。進程既是系統中資源分配和保護的基本單位，也是系統調度的獨立單位（單線程進程）。凡是未創建進程的程序，都不能做爲獨立單位參與運行。一般，每一個進程均可以各自獨立的速度在 CPU上推動。
5. 制約性：併發進程之間存在着制約關係，進程在進行的關鍵點上須要相互等待或互通消息，以保證程序執行的可再現性和計算結果的唯一性。
6. 併發性：進程能夠併發地執行，進程的併發性能改進資源利用率和提升系統效率。

線程

隨着並行技術、網絡技術和軟件設計技術的發展，給併發程序設計效率帶來了一系列新的問題，主要表如今：

• 進程時空的開銷大，頻繁的進程調度將耗費大量處理器時間，要爲每一個進程分配存儲空間限制了操做系統中進程的總數。
• 進程通訊的代價大，每次通訊均要涉及通訊進程之間或通訊進程與操做系統之間的信息傳遞。
• 進程之間的併發性粒度較粗，併發度不高，過多的進程切換和通訊延遲使得細粒度的併發得不償失。
• 不適合並行計算和分佈並行計算的要求，對於多處理器和分佈式的計算環境來講，進程之間大量頻繁的通訊和切換，會大大下降並行度。
• 不適合客戶!服務器計算的要求。對於 C/S結構來講，那些須要頻繁輸入輸出並同時大量計算的服務器進程（如數據庫服務器、事務監督程序）很難體現效率。

若是說操做系統中引入進程的目的是爲了使多個程序能併發執行，以改善資源使用率和提升系統效率，那麼，在操做系統中再引入線程，則是爲了減小程序併發執行時所付出的時空開銷，使得併發粒度更細、併發性更好。

進程能夠分爲兩項功能：一是獨立分配資源，二是被調度分派執行。分配資源仍由進程實現，無需頻繁切換。抽出線程的概念，將被調度分派執行的任務移交給線程，能夠被頻繁的調度和切換。

進程和線程的相對概念

單線程（結構）進程（single threaded process）：進程在任一時刻只有一個執行控制流
在單線程（結構）進程（single threaded process）中，進程和線程的概念能夠不加區分。

多線程（結構）進程（multiple threaded process）：

• 在同一進程中設計出多條控制流；
• 多控制流之間能夠並行執行；
• 多控制流切換不需經過進程調度；
• 多控制流之間還能夠經過內存區直接通訊，下降通訊開銷

多線程環境中進程的定義：進程是操做系統中進行保護和資源分配的基本單位。
它具備：

• 一個虛擬地址空間，用來容納進程的映像；
• 對處理器、其餘（通訊的）進程、文件和 I/O資源等的有控制有保護的訪問。

而傳統進程原先所承擔的控制流執行任務交給稱做線程的部分完成。

多線程環境中的線程概念：線程是操做系統進程中可以獨立執行的實體（控制流），是處理器調度和分派的基本單位。線程是進程的組成部分，每一個進程內容許包含多個併發執行的實體（控制流），這就是多線程。同一個進程中的全部線程共享進程得到的主存空間和資源，但不擁有資源。

線程具備：

• 線程執行狀態（運行、就緒、等待⋯⋯）。
• 當線程不運行時，有一個受保護的線程上下文，用於存儲現場信息。因此，觀察線程的一種方式是運行在進程內一個獨立的程序計數器。
• 一個執行堆棧。
• 一個容納局部變量的主存存儲區。

線程屬性：

1. 併發性：同一進程的多個線程可在一個或多個處理器上併發或並行地執行，而進程之間的併發執行演變爲不一樣進程的線程之間的併發執行。
2. 共享性：同一個進程中的全部線程共享但不擁有進程的狀態和資源，且駐留在進程的同一個主存地址空間中，能夠訪問相同的數據。因此，須要有線程之間的通訊和同步機制。通訊和同步的實現十分方便。
3. 動態性：線程是程序在相應數據集上的一次執行過程，由建立而產生，至撤銷而消亡，有其生命週期，經歷各類狀態的變化。每一個進程被建立時，至少同時爲其建立一個線程，須要時線程能夠再建立其餘線程。
4. 結構性：線程是操做系統中的基本調度和分派單位，所以，它具備唯一的標識符和線程控制塊，其中應包含調度所需的一切私有信息。

進程能夠劃分爲兩個部分：資源集合和線程集合。進程要支撐線程運行，爲線程提供地址空間和各類資源，它封裝了管理信息，包括對指令代碼、全局數據和 I/O狀態數據等共享部分的管理。線程封裝了執行信息，包括對CPU寄存器、執行棧（用戶棧、內核棧）和局部變量、過程調用參數、返回值等線程私有部分的管理。因爲線程具備許多傳統進程所具備的特徵，因此也把線程稱爲輕量進程 LWP（Light-Weight Process）。