漫谈进程与线程

进程和线程是操作系统中非常重要的两个概念，无论在开发或者是面试过程中都会经常遇到有关问题。最近根据自己所查阅的资料，对进程和线程做部分总结。

一、进程

1、什么是进程

从概念上来说，进程可以理解为程序的一次执行，包括在本次执行过程中的指令和所用到的数据。进程是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。 有关进程的理解，有一个有趣的例子：厨师做蛋糕。将厨师比作CPU，做蛋糕的菜谱比作程序，做蛋糕的原料比作数据，那么一个厨师通过阅读菜谱，用原料来制作蛋糕的过程就可以看成是一个进程。

2、内存中的进程

那么一个进程在内存中是如何存在的，但进程切换的时候又会发生怎样的变化呢？ 在Java中，一个进程需要在进程中存储四部分内容：用户栈，堆，程序代码存储，程序数据存储，如图1。用户栈中保存静态创建的变量，堆中保存动态创建变量。程序和数据从可执行文件中加载，存放在各自对应位置。 CPU在执行一个进程时，有很多情况会需要进行进程的切换，例如中断，时间片用尽等。此时，操作系统需要将上一个进程的信息都保存起来，然后再执行下一个进程。需要保存的信息包括：寄存器中的信息，进程执行到的位置，打开的文件等等。这些信息全都用一个叫PCB(进程控制块)的数据结构存储。

3、进程的状态以及切换

一般来说进程有五个状态：创建，就绪，执行，阻塞和退出。其中经常讨论的是进程在就绪，执行和阻塞三种状态之间的切换。 当一个进程被创建完成后，它就进入就绪状态，等待操作系统的调度。一旦操作系统按照进程调度算法，调度改进程是，他就进入运行状态， 开始执行。在执行状态下，如果该进程的时间片用完，则它将保存进程切换 的相关信息，退出运行环境，进入就绪状态；如果进程因为某些事件(比如IO操作)需要等待时，进程就进入阻塞状态，进程同样需要保存进程切换 的相关信息，退出运行环境。而当时间操作完成后，阻塞状态的进程又会进入就绪状态。

4、进程调度算法

进程调度算法就是用来决定哪一个进程占据CPU的算法。总体而言，进程调度方式可以分为抢占式和非抢占式。 非抢占式算法指调度程序一旦把 CPU分配给某一进程后便让它一直运行下去,   直到进程完成或发生某事件而不能运行时，才将CPU分给其它进程。这种算法比较简单，且系统开销小，比较适合批处理系统。非抢占式调度算法包括FIFO(先来先服务算法)，短作业优先算法。 抢占式算法指当一个进程正在执行时，系统可以基于某种策略剥夺CPU给其它进程。非抢占式算法包括时间片轮转算法，优先级算法，多级队列反馈算法等。

二、线程

虽然有进程调度算法能够管理进程之间的切换。但是每个进程拥有自己代码，数据以及文件。但是频繁的进程切换会带来很大的开销，因此就有了线程的概念。进程是线程的容器，每一个进程至少有一个线程，也就是主线程。同一个进程内的线程，共享代码数据以及文件，因此大量减少了切换的开销。值得一提的是，线程之间共享的是代码，数据，文件等数据，至于寄存器中的值，堆栈中的内容，则不是共享的。

1、线程的优点

为了讲明白线程相比于进程的优点，这里以文字处理器(例如Word)作为例子。Word软件在工作时，需要处理很多方面的事务。例如，接受用户输入，定时保存，展示输入内容，显示图形等等。如果不用线程，而是用进程处理，那么有两种方式： 一种是用同一个进程处理全部事务，既要负责接受输入，又要负责保存等等工作，那么这就带来一个后果，Word在同一时刻，只能干一件事，输入时不能保存，不能显示。显然这是不能接受的。另一种方法是用多个进程来处理，但是每一个进程都需要独立的内存地址和数据代码，这个开销显然是巨大的。 综上我们可以明白， 线程的优点就是能够实现同时处理多种事务，并且不花费很大的开销。

2、线程的实现

讲线程实现之前，需要先说一下操作系统的用户空间和内核空间。用户空间是指应用程序运行的地方，而内核空间指操作系统或驱动程序运行的地方。根据实现位置的不同，线程的实现可以有这三种方法： 完全在用户空间层实现。例如下图1，将所有的线程都交给用户来实现，操作系统只负责管理进程。这样做的好处是，线程的切换完全不需要内核的介入，使得其切换变得很快，开销很小。但存在一个巨大的问题是：对于操作系统而言，它只看见内核空间中的进程，而看不见每一个线程的状态。如果一个进程中的某一个线程阻塞了，操作系统就会认为整个进程都阻塞了，从而让该进程内部所有的线程都处于阻塞状态。每一个用户线程对应一个内核线程。如下图2.这样一来，线程的创建和执行等过程，就有操作系统来介入。这种方式能够避免一个线程由于别的线程的阻塞而阻塞。但其缺点是开销比较大。混合方式，让用户空间中的多个用户线程对应到一个内核线程中。这样一来，既能够一定程度上避免线程由于别的线程阻塞而阻塞，同时也减少系统开销。

3、线程池

如果我们使用线程的方式是，当我们需要一个线程时，就去新建一个线程。那么一旦遇到数量很多而且执行很短一段时间就停止的情况，这样大量创造线程就会增大系统开销，并且线程的创建和销毁也需要时间，会降低系统的执行效率。Java中通过线程池的方式来解决针对这一问题。 线程池是一些已有线程的集合。当一个任务产生需要被执行时，操作系统会将其加入一个阻塞队列。此时如何线程池中有空闲的线程，那么空闲线程便去执行这个任务。当一个线程执行完一个任务时，该线程不是被销毁，而是进入空闲状态，准备接受下一个任务。线程池的使用避免了系统不断创建和销毁线程的开销，提高了系统的效率。