40、线程进程概念线程进程

一、计算机发展史

1、手工操作（无操作系统）

1. 说明
   还未出现操作系统，计算机工作采用手工操作方式。
   手工操作 程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。

2. 结构图

   
   
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3. 缺点
   • 用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。
   • CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分
     手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作方式已严重损害了系统资源的利用率（使资源利用率降为百分之几，甚至更低）。唯一的解决办法：只有摆脱人的手工操作，实现作业的自动过渡。这样就出现了成批处理。

2、批处理系统

1. 说明
   加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的工作（包括程序、数据和命令）。
2. 结构图
3. 缺点
   每次主机内存中仅存一个程序，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲
   为改善CPU的利用率，又引入了多道程序系统

3、多道程序系统

1. 说明
2. 单程序运行过程
   在A程序计算时，I/O空闲， A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间。

3. 示例图

   
   
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4. 多程序执行过程
   将A、B两个程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样 CPU不再空闲，而正进行A I/O操作的I/O设备也不空闲，显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率，A、B全部完成所需时间<T1+T2。
5. 示例图
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   多道批处理系统 20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统（简称：批处理系统）。 它有两个特点：
   1、系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。
   2、在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。
   批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。 虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。
   一种新的追求目标：既能保证计算机效率，又能方便用户使用计算机。 20世纪60年代中期，计算机技术和软件技术的发展使这种追求成为可能,那就是分时系统

4、分时操作系统

1. 概念
   由于CPU速度不断提高和采用分时技术，一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好象自己独占机器一样。
   分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。
2. 示例图

二、进程与线程的历史

我们都知道计算机是由硬件和软件组成的。硬件中的CPU是计算机的核心，它承担计算机的所有任务。 操作系统是运行在硬件之上的软件，是计算机的管理者，它负责资源的管理和分配、任务的调度。 程序是运行在系统上的具有某种功能的软件，比如说浏览器，音乐播放器等。 每次执行程序的时候，都会完成一定的功能，比如说浏览器帮我们打开网页，为了保证其独立性，就需要一个专门的管理和控制执行程序的数据结构——进程控制块。 进程就是一个程序在一个数据集上的一次动态执行过程。 进程一般由程序、数据集、进程控制块三部分组成。我们编写的程序用来描述进程要完成哪些功能以及如何完成；数据集则是程序在执行过程中所需要使用的资源；进程控制块用来记录进程的外部特征，描述进程的执行变化过程，系统可以利用它来控制和管理进程，它是系统感知进程存在的唯一标志。

在早期的操作系统里，计算机只有一个核心，进程执行程序的最小单位，任务调度采用时间片轮转的抢占式方式进行进程调度。每个进程都有各自的一块独立的内存，保证进程彼此间的内存地址空间的隔离。 随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端，一是进程的创建、撤销和切换的开销比较大，二是由于对称多处理机（对称多处理机（SymmetricalMulti-Processing）又叫SMP，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU)，各CPU之间共享内存子系统以及总线结构）的出现，可以满足多个运行单位，而多进程并行开销过大。 这个时候就引入了线程的概念。 线程也叫轻量级进程，它是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行过程中的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合 和堆栈共同组成。线程的引入减小了程序并发执行时的开销，提高了操作系统的并发性能。 线程没有自己的系统资源，只拥有在运行时必不可少的资源。但线程可以与同属与同一进程的其他线程共享进程所拥有的其他资源

三、线程和进程基础

1、什么是进程(Process)

程序并不能单独运行，只有将程序装载到内存中，系统为它分配资源才能运行，而这种执行的程序就称之为进程。简单的来说一个程序的执行实例就是一个进程。每一个进程提供执行程序所需的所有资源。（进程本质上是资源的集合）

每一个进程启动时都会最先产生一个线程，即主线程。然后主线程会再创建其他的子线程。

2、什么是线程(thread)

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

简单来说明*线程 就是一堆指令 *

3、区别

1. 作用
   进程是资源分配的最小单位
   线程是程序执行的最小单位
2. 速度
   进程有自己的独立地址空间
   而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此CPU切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多。
3. 交互
   同一个进程中的所有线程的数据是共享的（进程通讯），
   进程之间的数据是独立的。同一个进程的线程之间可以直接通信，但是进程之间的交流需要借助中间代理来实现。
4. 关系
   进程中第一个线程是主线程，主线程创建其他线程，其他线程也可以创建线程，线程之间是平等的
   进程有父进程、子进程，独立的内存空间，唯一的进程标识符、pid
5. 创建
   创建新的线程很容易，
   创建新的进程需要对父进程做一次复制
6. 操作
   一个线程可以操作同一进程的其他线程，
   进程只能操作其子进程

4、同步与异步的概念

1. 同步是指一个进程在执行某个请求的时候，若该请求需要一段时间才能返回信息，那么这个进程将会一直等待下去，直到收到返回信息才继续执行下去。
2. 异步是指进程不需要一直等下去，而是继续执行下面的操作，不管其他进程的状态。当有消息返回时系统会通知进行处理，这样可以提高执行的效率。
3. 打电话的过程就是同步通信，发短信时就是异步通信

5、并发、并行

1. 同一时间段有几个程序都处于已经启动到运行完毕之间，并且这几个程序都在同一个处理机上运行，并发的两种关系是同步和互斥；
2. 单处理器中进程被交替执行，表现出一种并发的外部特征；在多处理器中，进程可以交替执行，还能重叠执行，实现并行处理，并行就是同时发生的多个并发事件，具有并发的含义，但并发不一定是并行，也就是说事件之间不一定要同一时刻发生

四、协程

1、概念

协程，又称微线程,一句话说明什么是线程：协程是一种用户态的轻量级线程

线程是系统级别的，它们是由操作系统调度；协程是程序级别的，由程序员根据需要自己调度。我们把一个线程中的一个个函数叫做子程序，那么子程序在执行过程中可以中断去执行别的子程序；别的子程序也可以中断回来继续执行之前的子程序，这就是协程。

2、协程的优缺点

2.1、协程的优点：

1、无需线程上下文切换的开销，协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能（但也因此，程序员必须自己承担调度的责任，同时，协程也失去了标准线程使用多CPU的能力）

2、无需原子操作锁定及同步的开销

3、方便切换控制流，简化编程模型

4、高并发+高扩展性+低成本：一个CPU支持上万的协程都不是问题。所以很适合用于高并发处理。

2.2、协程的缺点：

1、无法利用多核资源：协程的本质是个单线程,它不能同时将 单个CPU 的多个核用上,协程需要和进程配合才能运行在多CPU上.当然我们日常所编写的绝大部分应用都没有这个必要，除非是cpu密集型应用。

2、进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序