Einführung in Prozesse und Threads
Prozesse und Threads sind zwei wichtige Konzepte in der Informatik, mit denen Aufgaben gleichzeitig ausgeführt und Computerressourcen verwaltet werden.
Ein Prozess bezieht sich auf eine Instanz eines Programms, das auf einem Computer ausgeführt wird. Jeder Prozess verfügt über einen eigenen Speicherplatz und Systemressourcen, die von anderen Prozessen isoliert sind. Prozesse sind voneinander unabhängig und werden normalerweise vom Betriebssystem geplant und verwaltet. Jeder Prozess verfügt über eine eigene Prozesskennung (PID), mit der ein Prozess eindeutig identifiziert werden kann. Prozesse können über den Interprozesskommunikationsmechanismus (IPC: Inter-Process Communication) Daten austauschen und zusammenarbeiten. Im Betriebssystem verfügt jeder Prozess über eine eindeutige PID (Prozess-ID, Prozesskennung), die zur Identifizierung des Prozesses verwendet wird.
Thread ist eine Ausführungseinheit innerhalb eines Prozesses. Ein Prozess kann mehrere Threads enthalten, die sich den Speicherplatz und die Ressourcen des Prozesses teilen. Threads können gleichzeitig ausgeführt werden und Daten und Kontextinformationen austauschen. Im Vergleich zu Prozessen sind Threads leichter und erfordern weniger Aufwand beim Erstellen und Wechseln. Die Kommunikation und Synchronisierung zwischen Threads kann durch gemeinsam genutzten Speicher oder andere Synchronisierungsmechanismen wie Sperren und Bedingungsvariablen erreicht werden.
Prozesse und Threads spielen eine wichtige Rolle bei der gleichzeitigen Programmierung und beim Multitasking. Prozesse bieten ein höheres Maß an Isolation und Ressourcenverwaltung, aber der Overhead der Kommunikation zwischen Prozessen ist größer. Threads eignen sich besser für die gleichzeitige Ausführung und den Datenaustausch zwischen Aufgaben, Sie müssen jedoch auf Probleme wie Thread-Synchronisierung und Rennbedingungen achten.
Einfach ausgedrückt ist ein Prozess eine unabhängige Ausführungsumgebung, die vom Betriebssystem verwaltet wird, und ein Thread ist eine Einheit von Aufgaben, die innerhalb des Prozesses ausgeführt werden. Die Beziehung zwischen Prozessen und Threads ist n:1, dh ein Prozess kann mehrere Threads enthalten, ein Thread kann jedoch nur zu einem Prozess gehören.
Die Beziehung zwischen Prozessen und Threads kann wie folgt zusammengefasst werden:
Ein Prozess stellt die Grundeinheit für die Ressourcenzuweisung und -verwaltung durch das Betriebssystem dar. Er verfügt über unabhängigen Speicherplatz und Systemressourcen.
Ein Prozess kann mehrere Threads enthalten und Ressourcen innerhalb des Prozesses gemeinsam nutzen, um eine gleichzeitige Ausführung zu erreichen.
Threads sind Ausführungseinheiten innerhalb eines Prozesses und teilen sich den Speicherplatz und die Ressourcen des Prozesses.
Threads können gleichzeitig ausgeführt werden, Daten austauschen, kommunizieren und Vorgänge synchronisieren.
Mehrere Prozesse sind unabhängig voneinander und beeinflussen sich nicht gegenseitig, während Threads die Ressourcen des Prozesses gemeinsam nutzen.
Was bedeutet es, dass ein Thread ein leichter Prozess ist?
Threads sind leichtgewichtige Prozesse, was bedeutet, dass Threads weniger Overhead und höhere Erstellungs- und Wechselgeschwindigkeiten als Prozesse haben. Konkret verfügt jeder Prozess über seinen eigenen unabhängigen Speicherplatz, offene Dateien, Systemressourcen usw. Die Zuweisung und Verwaltung dieser Ressourcen erfordert die Unterstützung des Betriebssystems. Wenn ein neuer Prozess erstellt wird, muss das Betriebssystem ihm neuen Speicherplatz zuweisen und das Codesegment, das Datensegment und andere Informationen des übergeordneten Prozesses kopieren. Threads werden innerhalb des bestehenden Prozesses erstellt. Sie teilen sich die meisten Ressourcen des Prozesses und müssen keinen unabhängigen Ressourcenraum neu zuweisen.
Der Prozesswechsel erfordert das Speichern des Kontexts des aktuellen Prozesses und das Laden des Kontexts des neuen Prozesses, was viel Zeit und Rechenressourcen erfordert. Beim Thread-Umschalten muss lediglich der Kontext des Threads gespeichert und wiederhergestellt werden. Dieser Vorgang ist relativ schnell und hat einen geringen Overhead.
In der Programmierpraxis verwenden Programmierer normalerweise die Prozess- und Thread-Programmiermethoden und die entsprechenden APIs, die von bestimmten Sprachen bereitgestellt werden. Verschiedene Programmiersprachen bieten unterschiedliche Prozess- und Thread-Verwaltungsmechanismen und APIs, mit denen sich Prozesse und Threads einfach erstellen, verwalten und steuern lassen.
Für die Prozessprogrammierung bieten beispielsweise einige gängige Programmiersprachen wie C/C++ Systemaufrufe an, z. B. die Funktion fork() zum Erstellen eines neuen Prozesses. Nach dem Erstellen eines untergeordneten Prozesses können Sie die Reihe exec() verwenden Funktionen zum Laden von neuem Programmcode. . Die Java-Sprache stellt die Klasse java.lang.Process zum Erstellen und Steuern von untergeordneten Prozessen bereit.
Für die Thread-Programmierung stellen die meisten Programmiersprachen Thread-Bibliotheken oder -Module bereit, die Funktionen oder Klassen zum Erstellen, Verwalten und Synchronisieren von Threads enthalten. C/C++ stellt beispielsweise die pthread-Bibliothek bereit, Java stellt die Klasse java.lang.Thread bereit und Python stellt das Threading-Modul usw. bereit. Bei der Verwendung von Prozess- und Thread-APIs müssen Programmierer die Verwendung, Parameter und Rückgabewerte der API verstehen.
Durch die Verwendung der von bestimmten Programmiersprachen bereitgestellten Prozess- und Thread-APIs können Programmierer diese APIs zum Erstellen und Verwalten von Prozessen und Threads verwenden, um Funktionen wie gleichzeitige Ausführung, gemeinsame Nutzung von Ressourcen und Synchronisierung zu erreichen. Gleichzeitig bieten diese APIs auch eine Fülle von Funktionen und Methoden, die Probleme wie Kommunikation, Synchronisierung und gegenseitigen Ausschluss zwischen Prozessen und Threads bewältigen können. In Bezug auf die Synchronisierung von Prozessen und Threads müssen Programmierer auch verstehen, wie relevante Synchronisierungsmechanismen (wie Sperren, Bedingungsvariablen usw.) verwendet werden, um Synchronisierung und Zusammenarbeit zwischen Threads zu erreichen und Deadlocks und andere Probleme zu verhindern.
Da die Prozess- und Thread-Programmiermodelle und APIs verschiedener Programmiersprachen unterschiedlich sind, ist zu beachten, dass Sie bei der Auswahl einer bestimmten Programmiersprache und API eine Auswahl basierend auf den Projektanforderungen und den Merkmalen der Entwicklungsumgebung treffen müssen mit der entsprechenden Dokumentation und Nutzung vertraut sein und diese beherrschen.