备战秋招之常见高频面试点总结【1】进程与线程

关于进程和线程，大家总是说的一句话是“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”。

什么是计算机资源

经典的冯诺依曼结构把计算机系统抽象成 CPU + 存储器 + IO，那么计算机资源无非就两种：

1. 计算资源

2. 存储资源

CPU是计算单元，单纯从CPU的角度来说它是一个黑盒，它只对输入的指令和数据进行计算，然后输出结果，它不负责管理计算哪些”指令和数据“。 换句话说CPU只提供了计算能力，但是不负责分配计算资源。

计算资源是操作系统来分配的，也就是常说的操作系统的调度模块，由操作系统按照一定的规则来分配什么时候由谁来获得CPU的计算资源，比如分时间片

所以存储资源是操作系统由虚拟内存机制来管理和分配的。进程应该是操作系统分配存储资源的最小单元。

再来看看线程，理论上说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。何谓“轻量级”会在后面细说。进程是一种KSE，线程也是一种KSE。所以“线程是操作系统调度的最小单元”这句话没问题。

什么是进程

进程（Process）是对计算机的一种抽象：

1. 进程表示一个逻辑控制流，就是一种计算过程，它造成一个假象，好像这个进程一直在独占CPU资源

2. 进程拥有一个独立的虚拟内存地址空间，它造成一个假象，好像这个进程一致在独占存储器资源

特点

1. 进程是程序的一次执行过程。若程序执行两次甚至多次，则需要两个甚至多个进程。
2. 进程是是正在运行程序的抽象。它代表运行的CPU，也称进程是对CPU的抽象。（虚拟技术的支持，将一个CPU变幻为多个虚拟的CPU）
3. 系统资源（如内存、文件）以进程为单位分配。
4. 操作系统为每个进程分配了独立的地址空间
5. 操作系统通过“调度”把控制权交给进程。

fork系统调用

操作系统利用fork系统调用来创建一个子进程。fork所创建的子进程会复制父进程的虚拟地址空间。

要理解“复制”和“共享”的区别，复制的意思是会真正在物理内存复制一份内容，会真正消耗新的物理内存。共享的意思是使用指针指向同一个地址，不会真正的消耗物理内存。理解这两个概念的区别很重要，这是进程和线程的根本区别之一。

什么是线程

由于进程拥有独立的内存地址空间，导致了进程之间无法利用直接的内存映射进行进程间通信。

线程解决的最大问题就是它可以很简单地表示共享资源的问题，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，也就是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。

为什么引入线程？

1. 应用的需要。比如打开一个浏览器，我想一边浏览网页，一边下载文件，一边播放音乐。如果一个浏览器是一个进程，那么这样的需求需要线程机制。
2. 开销的考虑。在进程内创建、终止线程比创建、终止进程要快。同一进程内的线程间切换比进程间的切换要快,尤其是用户级线程间的切换。线程之间相互通信无须通过内核（同一进程内的线程共享内存和文件）
3. 性能的考虑。多个线程中，任务功能不同（有的负责计算，有的负责I/O）,如果有多个处理器，一个进程就可以有很多的任务同时在执行。

线程的属性

1. 有标识符ID
2. 有状态及状态转换，所以需要提供一些状态转换操作
3. 不运行时需要保存上下文环境，所以需要程序计数器等寄存器
4. 有自己的栈和栈指针
5. 共享所在进程的地址空间和其它资源

进程与线程区别

1. 定义方面：进程是程序在某个数据集合上的一次运行活动；线程是进程中的一个执行路径。（进程可以创建多个线程）
2. 角色方面：在支持线程机制的系统中，进程是系统资源分配的单位，线程是CPU调度的单位。
3. 资源共享方面：进程之间不能共享资源，而线程共享所在进程的地址空间和其它资源。同时线程还有自己的栈和栈指针，程序计数器等寄存器。
4. 独立性方面：进程有自己独立的地址空间，而线程没有，线程必须依赖于进程而存在。
5. 开销方面。进程切换的开销较大。线程相对较小。（前面也提到过，引入线程也出于了开销的考虑。）