【进程和线程】操作系统中的并发执行机制

一、什么是进程(Process)？

进程的管理

进程调度(重点)

二、什么是线程(Thread)？

三、进程和线程的区别与联系

进程(Process)

线程(Thread)

总结比较

一、什么是进程(Process)？

进程和线程是操作系统中一个非常核心的话题，也是程序员面试的高频考点。在计算机科学中，进程和线程是操作系统管理和调度任务的基本单位，对于理解计算机程序的执行、资源管理以及多任务处理都非常重要。

一个应用程序，运行起来，在操作系统中就会出现一个对应的进程。进程，就是一个跑起来的应用程序。

打开任务管理器，这里就会把当前运行的所有进程都列出来（除了自己运行的应用程序，还会有很多系统自带/安装某些应用给你添加的进程）

而对于一个操作系统，它管理的系统资源是有限的。操作系统需要管理计算机的各种资源，包括CPU、内存、硬盘空间、网络连接等等。这些资源都是有限的，而操作系统需要合理地分配和管理这些资源，以确保不同程序和用户能够有效地共享和利用这些资源。因此，进程是操作系统进行资源分配/管理的基本单位。

进程的管理

在操作系统中，对于进程管理，通常的做法是先描述，再组织。

描述：通常使用PCB(进程控制块)这样的结构体/数据结构来描述进程。结构体中会包含一些进程的核心信息。

组织：通常使用链表这样的结构(简化的说法)，来把多个PCB串起来。

PCB 包含了很多关于进程的重要信息，此处只讨论几个比较关心的：

1. PID 进程标识信息：即进程的ID，同一个机器，同一时刻，进程ID一定是不同的。

2. 内存指针/内存管理信息：用于指向记录这个进程的指令和数据。

3. 文件描述符表：记录进程打开的文件和文件描述符。

接下来的几个属性更重要，更抽象，是用来支持进程调度的。

在此之前，先了解一下并行和并发。

在系统中包含了很多的进程，而进程的数量，是远远多于CPU的数量的，这就需要进程调度来负责了。一个核心，同一时刻只能运行一个进程，16个核心同一时刻就能同时运行16个进程。这就是并行执行。

但是，一个核心，不同时刻，可以执行不同的进程，这一刻执行进程1、下一刻执行进程2......为了能够同时处理这么多进程，CPU就会把总的执行时间，切换成若干个小的片段，每个片段执行一个进程，每个片段称为时间片。由于时间片比较短，CPU切换进程的速度非常快，人感知不到，站在人的角度看，这是若干个进程在同时执行(其实不是同时)，这个就是并发执行。

并行（Parallelism）：

并行是指系统同时执行多个任务或操作，实现多个操作同时进行，可以显著提高系统的运行效率。
在并行计算中，多个处理单元可以同时执行不同的指令或操作，以加快整体计算速度。
并行通常指在多个处理器上同时执行多个任务或操作，以提高整体性能。

并发（Concurrency）：

并发是指系统能够同时处理多个任务或操作，但并不一定是同时执行这些任务，可能是通过时间片轮转的方式来实现看似同时处理的效果。
在并发编程中，多个任务可以交替执行，通过合理的调度和资源管理来提高系统的吞吐量和效率。
并发通常指系统能够处理多个任务的能力，可以是在单个处理器上通过多线程实现，也可以是在多个处理器上进行。

并行，本质上就是同时执行。而并发，并不是本质上的同时执行。但由于操作系统内核内部管理好了，编写应用程序的时候无法干预，普通用户也感知不到。

因此，往往把并行和并发统称为"并发"，把编写解决并发问题的程序，称为"并发编程"。

进程调度(重点)

注意：这里的属性也属于PCB管理进程的信息。进程调度可以帮助处理并发编程中的一些问题。

1. 进程状态：就绪态、运行态、阻塞态。

我们可以通过一个生活中常见的例子来解释进程状态，比如做菜的过程可以用来说明进程状态。

就绪态：假设你打算做一顿晚餐，首先收集了所有需要的食材和调料，并且准备好了所有的厨具。此时，你已经准备好开始做菜，处于就绪态，等待开始动手。
运行态：当你开始处理食材、烹饪菜肴时，你处于运行态，正在实际执行做菜的过程，不断地进行下一步操作，直到菜肴做好为止。
阻塞态：在烹饪的过程中，有可能会出现一些情况使得你需要停下手头的工作，比如等待水开、等待肉类腌制等。这时候，你处于阻塞态，暂时停止了当前的操作，等待某个条件满足后才能继续往下进行。
就绪态到运行态：当等待的条件满足后，比如水开了或者肉腌制好了，你又可以继续进行烹饪，从就绪态转变为运行态。
运行态到阻塞态：在烹饪的过程中，可能会遇到需要等待的情况，比如等待煮面、等待炒菜等，这时候你会从运行态切换到阻塞态。

2. 优先级

假设有一个妹子(漂亮，有才华)，有很多人追她。但是她找对象的标准几乎所有人都不能同时满足，于是她决定以每个标准找一个男朋友，然后她就找了三个小哥哥谈恋爱。

A. 有钱的小哥 B. 长的很帅的小哥 C. 非常会舔的小哥

那在约会的时候，妹子给男朋友们安排的时间不一定是公平的！

有的小哥，妹子会花更多的时间，那得到更多时间的小哥对应的等待时间也就更少。即进程的优先级决定了其在就绪队列中被调度的顺序，优先级高的进程会更早地得到处理器时间片，从而更快地执行。

周一周二周三：和A约（有钱，投入时间多，回报更多）

周四周五：和B约（长得帅，提供情绪价值）

周六：和C约（提供的情绪价值不如B）

3. 上下文：确保进程能够正确地切换和执行

妹子在和三个小哥哥聊天时，要记录好每次约会的时间和约定好的事情，即每次聊天都产生了哪些信息，接下来要干嘛，都要记录好，并且下次约会时，能够准确将信息对应到正确的小哥。不然就穿帮了，完蛋了~~

进程在CPU执行过程中，也会产生很多的"中间结果"，在进程切换出cpu之前，就需要把这些中间结果（cpu的各种寄存器中的值）保存到pcb的上下文里（程序计数器（PC）、寄存器内容、堆栈指针等等）下次这个进程再次执行的时候，就需要将之前记录的状态恢复回来。

4. 记账信息

延续刚才的优先级，有的小哥分配时间多(资源倾斜)，有的小哥(C)分配的时间少。

此时，就需要通过表格，来统计每个小哥分配了多少时间。此时就能发现，C最近分配的时间有点少，于是接下来就得给C多分配点。

为了不失去C，让C还能继续积极的来舔妹子，妹子就需要给C适当加点甜头~~

同样的，操作系统也是要避免某个进程一直吃不到CPU资源，导致进程关闭，就会进行类似的统计，给资源分配少的进程，适当的多分配一些。

相信通过这些形象的例子，对进程调度会有更清楚的认识！

二、什么是线程(Thread)？

线程（Thread）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（Process）之中，是进程的实际执行单元。一个进程可以包含多个线程，称为主线程，主线程是程序的入口点。这些线程共享相同的内存空间和系统资源，但拥有独立的执行流程。

当前市面的CPU，都是多核心CPU。需要通过一些特定的编程技巧（并发编程），把要完成的任务，拆解成多个部分，并且分别让他们在不同的CPU上运行，否则多核心CPU，多出来的就浪费了。

通过"多进程"编程的模式，其实就可以起到”并发编程“的效果，因为进程可以被调度到不同的CPU上运行，此时，就可以把多个CPU核心都利用起来。

但是，多进程编程虽然可以解决上述问题，但也有一些新的麻烦

假设我们正在开发一个Web服务器应用程序，该程序需要同时处理多个客户端请求。为了实现并发处理，我们可以使用进程和线程两种方式。
使用进程的方式：
我们将每个客户端请求看作一个独立的进程，每个进程都有自己的内存空间和系统资源。当收到一个新的客户端请求时，系统会为该请求创建一个新的进程，并在该进程中执行处理逻辑。这种方式的优点是进程之间相互独立，一个进程的崩溃不会影响其他进程。但是，这种方式的缺点是创建和销毁进程的开销比较大，进程之间的通信和同步也比较复杂。

而引入线程，就是为了解决多进程创建和销毁开销太大的问题。

前面说到：一个进程可以包含多个线程，线程，其实就是进程的一部分。同一个线程共享相同的内存空间和系统资源。

因此线程解决多进程创建和销毁开销太大的核心就在于，只有创建第一个线程的时候(也就是创建进程的时候)，才去进行资源申请操作。后续在创建线程，都没有申请资源的过程了。

再回头看上面服务器的例子

使用线程的方式：
我们将每个客户端请求看作一个线程，在一个主线程中不断轮询客户端请求，当收到新的请求时，将该请求放入等待队列中，并创建一个新的线程来处理该请求。处理完成后，该线程结束，等待队列中的下一个请求继续被处理。这种方式的优点是线程的创建和销毁开销较小，线程之间的通信和同步也比较简单。

虽然多线程编程解决了多进程创建和销毁开销太大的问题，但它存在一个缺点：一个线程的崩溃可能会导致整个进程的崩溃。进程和线程这两个概念比较抽象，下面用生活中的场景来描述一下。

进程就像是一列火车，每个车厢都是一个独立的运行环境，车厢之间互不干扰，一个车厢的故障不会影响其他车厢。而线程就像是一列火车上的乘客，每个乘客都可以在火车上自由行动，但他们的行动是相互影响的，一个乘客的行为可能会影响其他乘客。
比如，一列火车从北京开往上海，这列火车可以看作是一个进程，每个车厢都可以看作是一个线程，每个车厢都有自己的座位、空调、电视等设施，互不干扰。如果有一个车厢的空调坏了，其他车厢的乘客不会受到影响。而如果有一个乘客在车厢里吸烟，会影响到其他乘客的乘车体验。
再比如，一家餐厅里有多个服务员在同时服务不同的客人，每个服务员可以看作是一个线程，他们都在同一个餐厅里工作，可以相互协作，提高服务效率。如果有一个服务员突然生病了，其他服务员可以顶替他的工作，保证服务质量。而如果餐厅里的客人太多，需要再招一个服务员来服务，这就相当于增加了进程，会增加餐厅的成本和管理难度。

多线程编程的难点：