进程与线程

进程的定义

• 一个进程实体包括三部分：程序段，数据段，pcb，这个进程实体就简称为进程

进程的特征

1. 动态性

   • 进程由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡
   • 有一定生命期
   • 进程的实质是进程实体的执行过程

2. 并发性

   • 指多个进程实体能够同时存在内存中，且能够在一段时间内同时运行。这也正是引入进程概念的目的

3. 异步性

   • 每个进程都是按各自独立的、不可预知的速度向前推进
   • 正是由于有异步性，os 才会引进相应的同步机制，才能保证进程并发执行的结果是可再现的

4. 独立性

   • 进程是独立运行，独立接受调度的基本单位

进程的基本状态及转换

• 创建、就绪、执行、阻塞、终止
• 切记，创建完并非立即执行，而是就绪状态，当 CPU 调度时才转变为执行状态
• 执行->就绪，是由于时间片用完，让出 CPU 资源，变回就绪状态
• 就绪状态：指进程已经处于准备好运行的状态，那具体什么是准备好呢？即进程已分配到除 CPU 以外的所有必要资源后，只要再获得 CPU,便可立即执行

• 创建、静止就绪、活动就绪、执行、静止阻塞、活动阻塞、终止
• 创建 -> 活动就绪：在当前系统的性能和内存的容量均允许的情况下，完成对进程创建的必要操作后，进程便为活动就绪状态
• 创建 -> 静止就绪：不分配给新建进程所需资源，主要是主存，所以该进程被安置在外存，不参与调度，状态转为静止就绪状态

操作系统内核

定义

将一些与硬件紧密联系的模块（如中断处理程序等）、各种常用设备的驱动程序、运行频率较高的模块（如时钟管理，进程调度），都安排在紧靠硬件的软件层次中，将它们常驻内存，即通常称为 OS 内核。
目的或者有点有两个：

• 对这些软件进行保护，防止遭受其他应用程序的破坏
• 提高 OS 的运行效率（因为常驻内存）

OS 内核两大功能：

1. 支撑功能

   • 中断处理

     • 内核最基本的功能
     • 各种类型的系统调用、键盘命令的输入、进程调度、设备驱动等，都依赖于中断

   • 时钟管理

     • 内核的一项基本功能
     • 例如时间片轮转调度中，每当时间片用完时，便由时钟管理产生一个中断信号，促使调度程序重新进行调度
     • 实时系统中的截止时间截止、批处理系统中的最长运行时间控制等也依赖于时钟管理

   • 原语操作

     • 所谓原语，就是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。
     • 原子操作是指一个操作中的所有动作要么全做，要么全不做。它是一个不可分割的基本单位。
2. 资源管理功能，包括进程管理、 存储器管理、设备管理

进程和线程的区别

从调度性、并发性、系统开销、拥有资源、独立性、支持多处理机系统方面比较

• 调度性

  • 线程是调度的基本单位，是能独立运行的基本单位，线程切换代价低
  • 只有从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，才会引起进程的切换

• 拥有资源

  • 进程是拥有资源的基本单位，而线程仅有一点必不可少，能保证独立运行的资源而已
  • 那线程拥有哪些必不可少的资源呢？如线程控制块 TCB，程序计数器，保留局部变量，少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈
  • 多个线程共享所属进程拥有的资源

• 并发性

  • 进程之间可以并发执行，一个进程中的多个线程之间也可以并发执行

• 独立性

  • 同一进程下的线程之间的独立性低，不同进程之间的独立性高
  • 每个进程都拥有一个独立的地址空间和其他资源，除了共享全局变量外，不允许其他进程的访问
  • 同一进程的不同线程，共享进程的内存地址空间和资源，如一个线程的堆栈可以被其他线程读写

• 系统开销

  • 创建和撤销进程，系统要为之分配和回收 PCB 以及其他资源如内存空间和 I/O 设备
  • 而线程由于共享进程所拥有的资源，所以线程的创建、撤销快，上下文切换也快
  • 线程之间的同步和通信也比进程的简单

• 多处理机系统支持

  • 传统的进程，即单线程进程，无论有多少处理机，该进程只能运行在一个处理机上
  • 但对于多线程进程，就可以将一个进程中的多个线程分配到多个处理机上，并行执行

多进程和多线程的应用场景

首先，多进程单线程模型，简称为多进程；单进程多线程模型，简称为多线程。

多进程模型

优点

• 编程相对容易；通常不需要考虑锁和同步资源的问题。
• 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。
• 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）

案例

• 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。
• 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）

多线程模型

优点

• 创建速度快，方便高效的数据共享
• 多个线程之间可以共享相同的地址空间

适用场景

• 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）

如何选用

单进程多线程和多进程单线程，2种模式如何取舍？

• 进程线程间创建的开销不足以作为选择的依据，因为一般我们都是使用线程池或者进程池，在系统启动时就创建了固定的线程或进程，不会频繁的创建和销毁；
• 首先，根据工作集（需要共享的内存）的大小来定；如果工作集较大，就用多线程，避免cpu cache频繁的换入换出；比如memcached缓存系统；
• 其次，选择的依据根据以上多线程适用的场景来对比自身的业务场景，是否有这样场景需求：数据共享、提供非均质的服务，单任务拆散并行化等；
• 如果没有必要，或者多进程就可以很好的胜任，就多用多进程，享受单线程编程带来便利；
• RCU的发明者，Paul McKenny 在《Is Parallel Programming Hard, And, If So, What Can You Do About It?》说过： 能用多进程方便的解决问题的时候不要使用多线程。

引用出处
https://blog.csdn.net/PirLCK/...
汤小丹-计算机操作系统（第四版）