高性能编程之线程与进程

进程的描述与控制

重新补一下大学学习的知识 操作系统

进程定义:在多道程序环境下,程序的执行属于并发执行,此时它们将失去其封闭性,并具有间断性,以及其运行结果不可再现性的特征.由此，决定了通常的程序是不能参与并发执行的，否则，程序的运行也就失去了意义。为了能使程序并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制，人们引入了“进程”的概念.
为了使参与并发执行的每个程序(含数据)都能独立的运行,在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构,称之为进程控制块(PCB).系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程,进而控制和管理进程.这样,由程序段、相关的数据段和PCB三部分便构成了进程实体(又称进程映像)。

(进程就是能参与并发执行并保持其运行环境封闭性的计算任务)

进程的特征

动态性 并发性 独立性 异步性

PCB:PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据)成为一个能独立运行的基本单位,一个能与其他进程并发执行的进程.

进程同步:

基本思想
将进程在整个运行过程中需要的所有资源,一次性全部地分配给进程,待进程使用完后再一起释放.只要尚有一个资源未能分配给进程,其它所有可能为之分配的资源也不分配给它.

这个信号量机制具有参考意义 记录下

1. 整型信号量 wait和signal操作 也就是P,V操作 P减V加操作
2. 记录型信号量 在整型信号量机制中增加了一个进程链表指针list 用于链接上述的所有等待进程.
3. AND型信号量 应用场合 一个进程需要获得两个或更多的共享资源才能执行任务

4 信号量集

当一次需要N个单位时,便要进行 N次 wait操作 非常低效 甚至会增加死锁的概率
对进程所申请的所有资源以及每类资源不同的资源需求量,在一次P，V原语操作中完成申请或释放。进程对信号量Si的测试值不再是1,而是该资源的分配下限值ti.进程对该资源的需求值微Di通俗的讲
本来记录型释放操作 一个个释放，现在是一次性释放Si-Di个

线程
线程的引入

减少程序在并发执行时所付出的时空开销,使OS具有更好的并发性

概念：并不把作为调度和分派的基本单位也同时作为拥有资源的单位,将进程的调度和分派属性分开。

总结
进程包含线程 传统进程相当于只有一个线程的任务

多进程和多线程的优缺点

在Linux下编程多用多进程编程少用多线程编程。

IBM有个家伙做了个测试，发现切换线程context的时候，windows比linux快一倍多。进出最快的锁（windows2k的
critical
section和linux的pthread_mutex），windows比linux的要快五倍左右。当然这并不是说linux不好，而且在经过实际编程之后，综合来看我觉得linux更适合做high
performance
server，不过在多线程这个具体的领域内，linux还是稍逊windows一点。这应该是情有可原的，毕竟unix家族都是从多进程过来的，而
windows从头就是多线程的。 如果是UNIX/linux环境，采用多线程没必要。

多线程比多进程性能高？误导！

应该说，多线程比多进程成本低，但性能更低。

在UNIX环境，多进程调度开销比多线程调度开销，没有显著区别，就是说，UNIX进程调度效率是很高的。内存消耗方面，二者只差全局数据区，现在内存都很便宜，服务器内存动辄若干G，根本不是问题。

多进程是立体交通系统，虽然造价高，上坡下坡多耗点油，但是不堵车。

多线程是平面交通系统，造价低，但红绿灯太多，老堵车。

我们现在都开跑车，油（主频）有的是，不怕上坡下坡，就怕堵车。

高性能交易服务器中间件，如TUXEDO，都是主张多进程的。实际测试表明，TUXEDO性能和并发效率是非常高的。TUXEDO是贝尔实验室的，与UNIX同宗，应该是对UNIX理解最为深刻的，他们的意见应该具有很大的参考意义。

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多线程的优点：

无需跨进程边界； 程序逻辑和控制方式简单； 所有线程可以直接共享内存和变量等； 线程方式消耗的总资源比进程方式好； 多线程缺点：

每个线程与主程序共用地址空间，受限于2GB地址空间； 线程之间的同步和加锁控制比较麻烦； 一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性； 到达一定的线程数程度后，即使再增加CPU也无法提高性能，例如Windows Server 2003，大约是1500个左右的线程数就快到极限了（线程堆栈设定为1M），如果设定线程堆栈为2M，还达不到1500个线程总数； 线程能够提高的总性能有限，而且线程多了之后，线程本身的调度也是一个麻烦事儿，需要消耗较多的CPU

多进程优点：

每个进程互相独立，不影响主程序的稳定性，子进程崩溃没关系； 通过增加CPU，就可以容易扩充性能； 可以尽量减少线程加锁/解锁的影响，极大提高性能，就算是线程运行的模块算法效率低也没关系； 每个子进程都有2GB地址空间和相关资源，总体能够达到的性能上限非常大 多线程缺点：

逻辑控制复杂，需要和主程序交互； 需要跨进程边界，如果有大数据量传送，就不太好，适合小数据量传送、密集运算 多进程调度开销比较大； 最好是多进程和多线程结合，即根据实际的需要，每个CPU开启一个子进程，这个子进程开启多线程可以为若干同类型的数据进行处理。当然你也可以利用多线程+多CPU+轮询方式来解决问题……

方法和手段是多样的，关键是自己看起来实现方便有能够满足要求，代价也合适。

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进程的优点：

1）顺序程序的特点：具有封闭性和可再现性；

2）程序的并发执行和资源共享。多道程序设计出现后，实现了程序的并发执行和资源共享，提高了系统的效率和系统的资源利用率。 进程的缺点：

操作系统调度切换多个线程要比切换调度进程在速度上快的多。而且进程间内存无法共享，通讯也比较麻烦。

线程之间由于共享进程内存空间，所以交换数据非常方便；在创建或撤消进程时，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。

线程的优点：

1）它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别；

2）线程间方便的通信机制，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便；

3）使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上；

4）改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。 线程的缺点： 1.调度时, 要保存线程状态，频繁调度, 需要占用大量的机时； 2.程序设计上容易出错（线程同步问题）