进程 & 线程(基础篇)


进程和线程是我们常见到的笔试和面试的知识点,那么进程和线程到底有多少东西呢,二者之间又有什么联系和区别呢?
首先来简单的看一下它们的概念吧!
——进程:(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。
——线程:有时被称为轻量级进程(Lightweight Process,LWP),是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID,当前指令指针(PC),寄存器集合和堆栈组成。另外,线程是进程中的一个实体,是被系统独立调度和分派的基本单位。

进程和线程的区别

1)地址空间和其它资源(如打开文件):进程间相互独立,同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。
2)通信:进程间通信IPC,线程间可以直接读写进程数据段(如全局变量)来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助,以保证数据的一致性。
3)调度和切换:线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。
4)在多线程OS中,线程不是一个可执行的实体。

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进程和线程的关系
(1)一个线程只能属于一个进程,而一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。
(2)资源分配给进程,同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量),数据段(全局变量和静态变量),扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段,栈段又叫运行时段,用来存放所有局部变量和临时变量。
(3)处理机分给线程,即真正在处理机上运行的是线程。
(4)线程在执行过程中,需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。


是不是有个例子就不难理解了呢
如果把上课的过程比作进程,那么每个学生就是一个线程,他们共享教室,即线程共享进程的内存空间。每一个时刻,只能一个学生问老师问题,老师回答完毕,轮到下一个。即线程在一个时间片内占有cpu。

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进程与线程的选择取决以下几点:
1、需要频繁创建销毁的优先使用线程;因为对进程来说创建和销毁一个进程代价是很大的。
2、线程的切换速度快,所以在需要大量计算,切换频繁时用线程,还有耗时的操作使用线程可提高应用程序的响应
3、因为对CPU系统的效率使用上线程更占优,所以可能要发展到多机分布的用进程,多核分布用线程;
4、并行操作时使用线程,如C/S架构的服务器端并发线程响应用户的请求;
5、需要更稳定安全时,适合选择进程;需要速度时,选择线程更好。

一、进程相关

1、进程的特点
(1)动态性:进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程,进程是动态产生,动态消亡的。
(2)并发性:任何进程都可以同其他进程一起并发执行
(3)独立性:进程是一个能独立运行的基本单位,同时也是系统分配资源和调度的独立单位;
(4)异步性:由于进程间的相互制约,使进程具有执行的间断性,即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
(5)结构特征:进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。
(6)多个不同的进程可以包含相同的程序:一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程,能得到不同的结果;但是执行过程中,程序不能发生改变。
2、三种状态
进程执行时的间断性,决定了进程可能具有多种状态。事实上,运行中的进程可能具有以下三种基本状态。

1)就绪状态(Ready):
进程已获得除处理器外的所需资源,等待分配处理器资源;只要分配了处理器进程就可执行。就绪进程可以按多个优先级来划分队列。例如,当一个进程由于时间片用完而进入就绪状态时,排入低优先级队列;当进程由I/O操作完成而进入就绪状态时,排入高优先级队列。
2)运行状态(Running):
进程占用处理器资源;处于此状态的进程的数目小于等于处理器的数目。在没有其他进程可以执行时(如所有进程都在阻塞状态),通常会自动执行系统的空闲进程。
3)阻塞状态(Blocked):
由于进程等待某种条件(如I/O操作或进程同步),在条件满足之前无法继续执行。该事件发生前即使把处理器资源分配给该进程,也无法运行。

3、进程和程序的区别

(1)程序是指令和数据的有序集合,其本身没有任何运行的含义,是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程,它是一个动态的概念。
(2)程序可以作为一种软件资料长期存在,而进程是有一定生命期的。程序是永久的,进程是暂时的。
(3)进程更能真实地描述并发,而程序不能;
(4)进程是由进程控制块、程序段、数据段三部分组成;
(5)进程具有创建其他进程的功能,而程序没有。
(6)同一程序同时运行于若干个数据集合上,它将属于若干个不同的进 程,也就是说同一程序可以对应多个进程。
(7)在传统的操作系统中,程序并不能独立运行,作为资源分配和独立运行的基本单元都是进程。
4、进程的创建过程:一旦操作系统发现了要求创建新进程的事件后,便调用进程创建原语create()按下述步骤创建一个新进程。
1) 申请空白PCB。为新进程申请获得唯一的数字标识符,并从PCB集合中索取一个空白PCB。
2) 为新进程分配资源。为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间。显然,此时操作系统必须知道新进程所需要的内存大小。
3) 初始化进程控制块。PCB的初始化包括:
①初始化标识信息,将系统分配的标识符和父进程标识符,填入新的PCB中。
②初始化处理机状态信息,使程序计数器指向程序的入口地址,使栈指针指向栈顶。
③初始化处理机控制信息,将进程的状态设置为就绪状态或静止就绪状态,对于优先级,通常是将它设置为最低优先级,除非用户以显式的方式提出高优先级要求。
4) 将新进程插入就绪队列,如果进程就绪队列能够接纳新进程,便将新进程插入到就绪队列中。

二、线程相关

1、特点:
在多线程OS中,通常是在一个进程中包括多个线程,每个线程都是作为利用CPU的基本单位,是花费最小开销的实体。线程具有以下属性。
1)轻型实体
线程中的实体基本上不拥有系统资源,只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。
线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念,它的动态特性由线程控制块TCB(Thread Control Block)描述。TCB包括以下信息:
(1)线程状态。
(2)当线程不运行时,被保存的现场资源。
(3)一组执行堆栈。
(4)存放每个线程的局部变量主存区。
(5)访问同一个进程中的主存和其它资源。
用于指示被执行指令序列的程序计数器、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。
2)独立调度和分派的基本单位。
在多线程OS中,线程是能独立运行的基本单位,因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”,故线程的切换非常迅速且开销小(在同一进程中的)。
3)可并发执行。
在一个进程中的多个线程之间,可以并发执行,甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行;同样,不同进程中的线程也能并发执行,充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。
4)共享进程资源
在同一进程中的各个线程,都可以共享该进程所拥有的资源,这首先表现在:所有线程都具有相同的地址空间(进程的地址空间),这意味着,线程可以访问该地址空间的每一个虚地址;此外,还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件,所以线程之间互相通信不必调用内核。
2、线程的适用范围
1)服务器中的文件管理或通信控制
2.)前后台处理
3).异步处理

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3、线程的状态


●新线程态(New Thread)
产生一个Thread对象就生成一个新线程。当线程处于”新线程”状态时,仅仅是一个空线程对象,它还没有分配到系统资源。因此只能启动或终止它。任何其他操作都会引发异常。例如,一个线程调用了new方法之后,并在调用start方法之前的处于新线程状态,可以调用start和stop方法。
●可运行态(Runnable)
start()方法产生运行线程所必须的资源,调度线程执行,并且调用线程的run()方法。在这时

——线程的生命状态与周期
线程处于可运行态。该状态不称为运行态是因为这时的线程并不总是一直占用处理机。特别是对于只有一个处理机的PC而言,任何时刻只能有一个处于可运行态的线程占用处理 机。Java通过调度来实现多线程对处理机的共享。注意,如果线程处于Runnable状态,它也有可能不在运行,这是因为还有优先级和调度问题。
●阻塞/非运行态(Not Runnable)
当以下事件发生时,线程进入非运行态。

线程
①suspend()方法被调用;
②sleep()方法被调用;
③线程使用wait()来等待条件变量;
④线程处于I/O请求的等待。
●死亡态(Dead)
当run()方法返回,或别的线程调用stop()方法,线程进入死亡态。通常Applet使用它的stop()方法来终止它产生的所有线程。

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