进程与线程

一，什么是进程

进程是指正在运行的计算机程序。每个进程都有自己的内存空间和系统资源，它与其他进程相互隔离，彼此独立运行。进程可以包含一系列指令和数据，它们被操作系统分配给处理器进行执行。进程可以是操作系统自身的一部分，也可以是由用户创建的应用程序。一个计算机系统可以同时运行多个进程。

二，如何管理进程

• 先描述：使用 PCB 结构表示进程的各种属性
• 后组织：使用双向链表，将这些 PCB 结构串起来

什么是所谓的 PCB 结构？

• 内存指针：每个进程在运行时，都会分配一定的内存空间，我们需要知道分配的内存空间在哪，以及每个部分是干什么的，有一组指针来进行区分。
• 文件描述符：一个进程涉及到硬盘操作，就需要按照文件的方式来操作，当前进程关联那些文件，操作哪些文件，都是通过文件描述符。
• 状态：运行态，就绪态，阻塞态。
• 优先级：就是是否需要计算机优先处理，就相当于人做事，我们要分清事情的轻重缓急，优先处理比较重要和急迫的事情。
• 上下文：进程从 cpu 离开之前，需要进行 "存档" ，把当前 cpu 中的各种寄存器的状态都记录到内存中，等到下次该进程继续运行的时候 "读档"，再把保存在内存中的值返回给 cpu ，cpu 就会在上次停止的地方继续往后运行。类似于游戏中的 "存档"，"读档" 操作。
• 记账信息：通过优先级机制，对不同进程分配不同权重的资源，就可能会出现将所有资源分配给某一个进程的极端情况，而记账信息就是用来记录当前进程持有的 cpu 的情况（在 cpu 中执行了多久），作为操作系统调度进程的依据。
• 寄存器：存在于cpu中，有不同的作用，有的寄存器是用来保存当前执行到那个指令，也称为程序计数器；有点寄存器是用来维护栈的；还有的是用来保存中间计算结果的。

三，虚拟地址空间

在早期的操作系统中，程序运行时分配的内存就是 "物理内存"，这样就会容易出现 C语言中的野指针问题，进而导致其他进程的崩溃，为了避免这一问题，操作系统引入了"虚拟地址空间"概念，不在直接分配物理内存，而是分配虚拟的内存空间，再通过操作系统将虚拟内存转换成物理内存，如下图：

 这个时候如果A进程要操作某个内存中的数据，就需要把操作的虚拟地址传给操作系统，操作系统再把虚拟地址翻译成物理地址，在该过程中操作系统就可以进行校验检查，1.检查所给的虚拟地址是否可以正确的翻译，2.检查所给的虚拟地址是否非法，越界。如果出现该情况，操作系统就会及时对当前进程进行处理，不会影响其他进程的运行。

操作系统通过上述方式将进程与进程之间隔离开了，如果某个需求中，需要多个进程相互协作，就不容易操作了，这时我们就引入了新的机制来实现 进程 之间的通信：1.通过文件 2.通过网络（socket），篇幅有限，就不深入讲了。

四，线程

我们常常使用电脑打开多个程序运行，在我们的眼睛看来，这些程序是 "同时运行" 的，但真的是这样吗？其实是不一定的，因为我们既可以通过多个程序在多个cpu上运行("并行")来达到程序同时运行的目的，也可以通过快速切换在同一个cpu运行不同程序("并发")来实现 "看上去" 像是程序同时运行的假象。也就是说只要切换的够快，我们眼睛是捕捉不到的，又因为使用哪种方式实现并发编程是操作系统决定的，我们程序员基本无法定义，所以这两种方式我们就统称为 "并发编程"。

其实，我们上面说的多个进程的概念也是为了实现并发编程，以此来适应多核CPU时代，但是它有一个缺点 —— 进程太重量，效率不高。体现在创建，销毁，调度一个进程消耗的时间比较多，在具体一点就是申请资源比较费时间。

为了解决上述问题，我们就引入了 "线程" （Thread），又叫做 "轻量级进程"。线程不能单独存在，他要依附于进程（进程包含线程），进程需要包含至少一个线程，每个线程都可以单独执行一些代码，当存在多个线程时，就达到了 "并发编程" 的效果。

实际上我们每一个线程也会有各自的属性，比如 状态，优先级，上下文，记账信息.....，但是也有一些属性是共用的（这里指的是同一个进程中的线程），比如：PID，内存指针，文件描述符，这也意味着线程也可以单独去CPU上调度执行，而线程之所以更加 "轻量" 是因为 同一个进程的多个线程之间，共用同一份内存空间和文件资源，也就是说在同一个进程中，除了第一个线程外，其他线程不需要去申请资源，省去了分配资源的开销，这就大大提高了效率。虽然线程可以提高效率，但是一个进程中存在的线程还是有上限的（提高的效率会饱和），毕竟调度也是有开销的。

五，进程和线程的区别

1. 进程包含线程，一个进程中可以有一个或多个线程
2. 进程和线程都可以实现并发编程，但是线程比进程更加高效，轻量
3. 同一个进程中的线程共用一份内存和资源
4. 进程和进程之间是相互独立的，两者不会相互影响，而同一个进程的线程与线程之间，可能会相互影响（线程安全问题 + 线程异常）
5. 进程是资源分配的基本单位，线城是执行调度的基本单位。