多线程—进程与线程

1 进程

1.1 进程概念

进程：操作系统提供的一种抽象，当程序在运行时，好像计算机的所有硬件资源都在为其服务。换言之，进程就是程序的一次运行过程。进程是操作系统分配资源的基本单位。

注意：区分进程和程序（可执行文件）

程序即可执行文件，是静态的，存储在磁盘中。

打开任务管理器，在进程界面显示的是一个个正在运行的程序，即进程，也就是说进程是动态的，当可执行文件被加载到内存中，并开始执行程序的代码，就形成了进程。

1.2 进程控制块PCB

PCB：进程控制块，内部包含pid（进程唯一标识）、进程关联的程序基本信息（程序信息、内存指针等）、进程分配资源信息、进程调度信息。每一个PCB对象，表示一个进程，也就是一个运行的程序。

在PCB中，包含一个文件描述符表（进程打开（fopen）了哪些文件），文件描述符表可以理解为一个顺序表，下标索引就是文件描述符，索引对应的内容就是对应的文件。

进程的调度信息包含：进程优先级、进程状态（就绪、阻塞等等）、进程记账信息（每次在CPU的执行时间，方便操作系统调度策略的调整）和进程上下文（进程在执行过程中可能随时被调度离开，此时需要保存进程的上下文，也就是“存档”，便于下次执行时“读档”）。

1.3 进程虚拟地址

在操作系统中，我们不希望一个进程的运行状态影响到另一个进程，因此就需要进程具有“隔离性”，进程的虚拟地址空间是保证进程“隔离性”的重要原因。

如果没有虚拟地址空间，进程在对内存指针进行访问时，有可能出现指针指向错误地址的问题，那么就有可能出现进程1访问到进程2的数据，导致操作系统的不稳定。

通过引入虚拟地址空间，每一个进程的虚拟地址空间相互独立，比如进程1的代码中访问到变量a，进程2的代码中也访问到变量a，但是这两个变量a的值不同，其在各自虚拟地址空间的地址相同，通过MMU（内存管理单元，通常集成在CPU上）来对虚拟地址进行映射，就可以访问到不同的所需数据，实现了进程的“隔离性”。

注意：如果多个进程同时执行，那虚拟内存的总和大于真实内存怎么办？1.实际上，同时执行的进程一般不会很多。2.即使多个进程同时执行，但是也不是同时把所有虚拟地址空间全部占满。3.极端情况下，出现多个进程都占用了很大的内存，那么就换电脑（内存更大的）。这种情况一般都算bug，需要程序员优化程序，想办法让其占用更少的内存空间。

1.4 进程间通信

只让进程具有“隔离性”并不能满足所有的任务，比如在打微信电话，不仅需要微信程序，还需要摄像程序，这就涉及到进程间的通信。进程间通信包括：管道、共享内存、文件、信号、信号量和网络等方式。其中，网络是一种相对特殊的 IPC 机制，它除了支持同主机两个进程间通信，还支持同一网络内部非同一主机上的进程间进行通信。

2 线程

2.1 线程的必要性

一个CPU有多个核，让一个CPU只执行一个任务，仅使用了一个核，也就是CPU使用率极低，浪费了硬件资源，因此我们希望让CPU同时执行多个任务，也就是并发编程。

多进程可以实现并发编程，但是有些场景会频繁的创建/销毁进程，这就非常消耗时间（分配资源是个耗时的行为），为了提高并发编程的效率，就引入了线程。

2.2 线程

线程：一个执行流，又叫轻量级进程（线程的创建、调度和销毁比进程效率更高），同一个进程包含多个线程，每个线程对应自己的PCB，这里称为TCB（这是操作系统原理的概念，Linux没有TCB，对线程和进程都是用PCB），作用与PCB类似。同一个进程内的多个线程共享同一个进程分配的系统资源。操作系统调度以线程为最小单位。