线程和进程

一、概述:

进程就是一个程序运行的时候被CPU抽象出来的,一个程序运行后被抽象为一个进程,但是线程是从一个进程里面分割出来的,由于CPU处理进程的时候是采用时间片轮转的方式,所以要把一个大个进程给分割成多个线程,例如:网际快车中文件分成100部分 10个线程 文件就被分成了10份来同时下载 1-10 占一个线程 11-20占一个线程,依次类推,线程越多,文件就被分的越多,同时下载 当然速度也就越快。
进程:程序的一次执行,是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程是程序在计算机上的一次执行活动。当你运行一个程序,你就启动了一个进程。显然,程序只是一组指令的有序集合,它本身没有任何运行的含义,只是一个静态实体。而进程则不同,它是程序在某个数据集上的执行,是一个动态实体。它因创建而产生,因调度而运行,因等待资源或事件而被处于等待状态,因完成任务而被撤消,反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。进程是操作系统分配资源的单位。在Windows下,进程又被细化为线程,也就是一个进程下有多个能独立运行的更小的单位。线程(Thread)是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位。线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
线程: CPU的基本调度单位,是一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同进程中的其它线程共享数据,但拥有自己的栈空间,拥有独立的执行序列。
在串行程序基础上引入了线程和进程是为了提高程序的并发度,从而提高程序运行效率和相应时间。

二、探究

  • 1、在单核计算机里,有一个资源是无法被多个程序并行使用的:cpu。
    没有操作系统的情况下,一个程序一直独占着全都cpu。
    如果要有两个任务来共享同一个CPU,程序员就需要仔细地为程序安排好运行计划--某时刻cpu和由程序A来独享,下一时刻cpu由程序B来独享
    而这种安排计划后来成为OS的核心组件,被单独名命为“scheduler”,即“调度器”,它关心的只是怎样把单个cpu的运行拆分成一段一段的“运行片”,轮流分给不同的程序去使用,而在宏观上,因为分配切换的速度极快,就制造出多程序并行在一个cpu上的假象。
  • 2、在单核计算机里,有一个资源可以被多个程序共用,然而会引出麻烦:内存。
    在一个只有调度器,没有内存管理组件的操作系统上,程序员需要手工为每个程序安排运行的空间 -- 程序A使用物理地址0x00-0xff,程序B使用物理地址0x100-0x1ff,等等。
    然而这样做有个很大的问题:每个程序都要协调商量好怎样使用同一个内存上的不同空间,软件系统和硬件系统千差万别,使这种定制的方案没有可行性。
    为了解决这个麻烦,计算机系统引入了“虚拟地址”的概念,从三方面入手来做:
  • 2.1、硬件上,CPU增加了一个专门的模块叫MMU,负责转换虚拟地址和物理地址。
  • 2.2、操作系统上,操作系统增加了另一个核心组件:memory management,即内存管理模块,它管理物理内存、虚拟内存相关的一系列事务。
  • 2.3、应用程序上,发明了一个叫做【进程】的模型,(注意)每个进程都用【完全一样的】虚拟地址空间,然而经由操作系统和硬件MMU协作,映射到不同的物理地址空间上。不同的【进程】,都有各自独立的物理内存空间,不用一些特殊手段,是无法访问别的进程的物理内存的。
  • 3、现在,不同的应用程序,可以不关心底层的物理内存分配,也不关心CPU的协调共享了。然而还有一个问题存在:有一些程序,想要共享CPU,【并且还要共享同样的物理内存】,这时候,一个叫【线程】的模型就出现了,它们被包裹在进程里面,在调度器的管理下共享CPu,拥有同样的虚拟地址空间,同时也共享同一个物理地址空间,然而,它们无法越过包裹自己的进程,去访问别一个进程的物理地址空间。
  • 4、进程之间怎样共享同一个物理地址空间呢?不同的系统方法各异,符合posix规范的操作系统都提供了一个接口,叫mmap,可以把一个物理地址空间映射到不同的进程中,由不同的进程来共享。
  • 5、PS:在有的操作系统里,进程不是调度单位(即不能被调度器使用),线程是最基本的调度单位,调度器只调度线程,不调度进程,比如VxWorks。

三、线程和进程的区别

线程和进程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。进程拥有独立的地址空间,一个进程崩溃后,在保护模式下不会对其他进程产生影响,而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程拥有自己的堆栈和局部变量,但线程之间没有单独的地址空间,一个线程死掉就等于整个进程死掉,所以多进程的程序要比多线程的程序健壮,但在进程切换时,耗费资源较大,效率要差一些。但在进程切换时,耗费资源比较大,效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作,只能用线程,不能用进程。

  • 简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。
  • 线程的划分尺度小于进程,使得多线程程序的并发性高。
  • 另外,进程在执行过程中拥有独立的内存单元,而多个线程共享内存,从而极大地提高了程序的运行效率。
  • 线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
  • 从逻辑角度来看,多线程的意义在于一个应用程序中,有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做独立的应用,来实现进程的调度和管理以及资源分配。

四、线程和进程的关系

线程是属于进程的,线程运行在进程空间内,同一进程所产生的线程共享同一内存空间,当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源,但是其本身基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。
在同一个时间里,同一个计算机系统中如果允许两个或两个以上的进程处于运行状态,这便是多任务。现代的操作系统几乎都是多任务操作系统,能够同时管理多个进程的运行。 多任务带来的好处是明显的,比如你可以边听mp3边上网,与此同时甚至可以将下载的文档打印出来,而这些任务之间丝毫不会相互干扰。那么这里就涉及到并行的问题,俗话说,一心不能二用,这对计算机也一样,原则上一个CPU只能分配给一个进程,以便运行这个进程。我们通常使用的计算机中只有一个CPU,也就是说只有一颗心,要让它一心多用,同时运行多个进程,就必须使用并发技术。实现并发技术相当复杂,最容易理解的是“时间片轮转进程调度算法”,它的思想简单介绍如下:在操作系统的管理下,所有正在运行的进程轮流使用CPU,每个进程允许占用CPU的时间非常短(比如10毫秒),这样用户根本感觉不出来CPU是在轮流为多个进程服务,就好象所有的进程都在不间断地运行一样。但实际上在任何一个时间内有且仅有一个进程占有CPU。
如果一台计算机有多个CPU,情况就不同了,如果进程数小于CPU数,则不同的进程可以分配给不同的CPU来运行,这样,多个进程就是真正同时运行的,这便是并行。但如果进程数大于CPU数,则仍然需要使用并发技术。
在Windows中,进行CPU分配是以线程为单位的,一个进程可能由多个线程组成,这时情况更加复杂,但简单地说,有如下关系:
总线程数<= CPU数量:并行运行
总线程数> CPU数量:并发运行
并行运行的效率显然高于并发运行,所以在多CPU的计算机中,多任务的效率比较高。但是,如果在多CPU计算机中只运行一个进程(线程),就不能发挥多CPU的优势。
多任务操作系统(如Windows)的基本原理是:操作系统将CPU的时间片分配给多个线程,每个线程在操作系统指定的时间片内完成(注意,这里的多个线程是分属于不同进程的).操作系统不断的从一个线程的执行切换到另一个线程的执行,如此往复,宏观上看来,就好像是多个线程在一起执行.由于这多个线程分属于不同的进程,因此在我们看来,就好像是多个进程在同时执行,这样就实现了多任务.

四、优缺点

线程和进程在使用上各有优缺点:线程执行开销小,但不利于资源的管理和保护;而进程正相反。同时,线程适合于在SMP机器上运行,而进程则可以跨机器迁移。

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