计算机底层原理学习笔记之进程与线程

前言：

老生常谈，进程是操作系统分配资源的最小单元，线程是操作系统调度的最小单元

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基本概念：
计算机中的资源：
1. 计算资源：CPU提供的计算能力
2. 存储资源：内存、硬盘等提供的存储能力
3. 经典冯诺依曼结构：CPU+存储器+IO

CPU可视为黑盒，输入的是待处理的指令和数据，输出的是处理后的结果；即CPU只提供计算能力，不提供计算资源的调度管理；因此，计算资源由操作系统负责进行分配，负责分配计算资源的部分是操作系统的调度模块，按照一定规则进行计算资源的分配，比如按时间片分配计算资源；

存储器是由虚拟内存机制来管理的，因为进程表示一个运行的程序，而程序的代码段、数据段这些都是存放在磁盘中的，在运行时加载到内存中，所以进程是面向磁盘的；
补充：虚拟页是对磁盘文件的分配，然后被缓存到物理内存的物理页中；总之，存储资源是由虚拟内存机制进行管理和分配的；因此，操作系统分配资源（存储资源）的最小单元是进程；

**注意：**Linux内核是没有线程这个概念的，只有内核调度实体(Kernal Scheduling Entry， KSE)这个概念，Linux的线程本质上是一种轻量级的进程，是通过clone系统调用来创建的，进程是一种KSE，线程也是一种KSE，因此，线程是操作系统调度的最小单元；

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从文件IO的角度来说，Linux把一切IO都抽象成了文件，比如普通文件IO，网络IO等都是文件，利用系统调用open返回的一个整数作为文件描述符file descriptor，进程可以利用file descriptor作为参数在任何系统调用中表示那个打开的文件；内核为进程维护了一个文件描述符表来保持进程所有获得的file descriptor；

每调用一次open系统调用，内核会创建一个打开文件（open file）的数据结构来表示这个打开的文件，记录了该文件目前读取的位置等信息。打开文件又唯一保存了一个指针指向文件系统中该文件的inode结构，inode记录了该文件的文件名，路径，访问权限等元数据；

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相关的系统调用：fork系统调用
作用：创建一个子进程，该子进程会复制父进程的虚拟地址空间；
复制VS共享–进程VS线程：复制会占用新的物理内存，而共享不会占用新的内存，共享可视为指向的是同一个物理内存中的内容，这也是线程和进程之间的一个根本区别；

现代操作系统为了优化fork系统调用导致的内存占用问题（父进程占用1G物理内存，刚创建的子进程也会占用1G物理内存），采用写时复制的方案进行优化；也就是说，在刚创建子进程时（子进程并没有对数据进行操作）采用共享的方式，指向父进程占用的物理内存，当子进程真正要进行操作时，才去占用物理内存进行复制

进程间通信：由于每一个进程拥有独立的虚拟地址空间，而不同进程的同一虚拟地址空间可能对应的物理地址空间不同，所以，无法通过共享内存的方式完成进程间的通信，只能采用信号，管道等方式来进行进程间通信；
线程解决的最大问题：可以很简单地表示共享资源，这里说的资源指的是存储器资源，资源最后都会加载到物理内存，一个进程的所有线程都是共享这个进程的同一个虚拟地址空间的，也就是说从线程的角度来说，它们看到的物理资源都是一样的，这样就可以通过共享变量的方式来表示共享资源，通过直接共享内存的方式解决了线程通信的问题。而线程也表示一个独立的逻辑流，这样就完美解决了进程的一个大难题；

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相关的系统调用：clone系统调用
clone是一个轻量级的fork，它提供了一系列的参数来表示线程可以共享父类的哪些资源，比如页表，打开文件表等等（注意：这里涉及的是共享这一概念）
同一个进程的线程对应的上下文切换，只需要保存线程的一些运行时的数据，比如线程的id、寄存器中的值以及栈数据等，相比进程来说，是轻量级的；

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进程VS线程
1. 进程采用fork创建，线程采用clone创建
2. 进程fork创建的子进程的逻辑流位置在fork返回的位置，线程clone创建的KSE的逻辑流位置在clone调用传入的方法位置，比如Java的Thread的run方法位置
3. 多个进程通信只能采用进程间通信的方式，比如信号，管道，而不能直接采用简单的共享内存方式，原因是每个进程维护独立的虚拟内存空间，所以每个进程的变量采用的虚拟地址是不同的；多个线程通信就很简单，直接采用共享内存的方式，因为不同线程共享一个虚拟内存地址空间，变量寻址采用同一个虚拟内存
4. 进程上下文切换需要切换页表等重量级资源，线程上下文切换只需要切换寄存器等轻量级数据
5. 进程的用户栈独享栈空间，线程的用户栈共享虚拟内存中的栈空间，没有进程高效
6. 一个应用程序可以有多个进程，执行多个程序代码，多个线程只能执行一个程序代码，共享进程的代码段
7. 进程采用父子结构，线程采用对等结构