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进程与线程

进程与线程:计算机世界的"公司与员工"

进程与线程的本质区别

进程(Process)是计算机中独立运行的程序实例,拥有自己的内存空间和系统资源;而线程(Thread)是进程内的执行单元,共享所属进程的资源,但拥有独立的执行路径。

🏢 生活类比:想象一个大型企业的运作模式

  • 进程 = 独立的公司,有自己的办公楼、财务系统和资源
  • 线程 = 公司内的员工,共享公司资源,但各自负责不同工作

进程 VS 线程:关键区别图解

进程 (Process)                    线程 (Thread)
┌───────────────────────┐        ┌───────────────────────┐
│ 独立内存空间          │        │ 共享所属进程的内存    │
│ 系统资源分配的基本单位 │        │ CPU调度的基本单位     │
│ 进程间通信复杂        │        │ 线程间通信相对简单    │
│ 创建开销大            │        │ 创建开销小            │
│ 切换成本高            │        │ 切换成本低            │
│ 互相隔离性强          │        │ 一个崩溃全部崩溃      │
└───────────────────────┘        └───────────────────────┘

内存模型对比

┌────────────────────────────┐    ┌────────────────────────────┐
│ 进程A                      │    │ 进程B                      │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │    │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ 线程A1   │ │ 线程A2   │ │    │ │ 线程B1   │ │ 线程B2   │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ │    │ └──────────┘ └──────────┘ │
│       │           │       │    │       │           │       │
│       ▼           ▼       │    │       ▼           ▼       │
│ ┌──────────────────────┐  │    │ ┌──────────────────────┐  │
│ │   共享内存区域       │  │    │ │   共享内存区域       │  │
│ │  (代码、数据、堆)    │  │    │ │  (代码、数据、堆)    │  │
│ └──────────────────────┘  │    │ └──────────────────────┘  │
│ ┌────────┐    ┌────────┐  │    │ ┌────────┐    ┌────────┐  │
│ │栈(A1)  │    │栈(A2)  │  │    │ │栈(B1)  │    │栈(B2)  │  │
│ └────────┘    └────────┘  │    │ └────────┘    └────────┘  │
└────────────────────────────┘    └────────────────────────────┘进程间内存完全隔离               进程间内存完全隔离线程间共享大部分内存             线程间共享大部分内存

进程的真实案例

📱 生活类比:你的手机上同时运行着微信、浏览器和音乐播放器

├── 微信进程
│   ├── 聊天线程
│   ├── 朋友圈加载线程
│   └── 后台消息监听线程
│
├── 浏览器进程
│   ├── 页面渲染线程
│   ├── JavaScript执行线程
│   └── 网络请求线程
│
└── 音乐播放器进程├── 音频解码线程├── UI显示线程└── 歌词同步线程

线程并发:乐趣与挑战

多线程并发是指多个线程同时执行,交错运行,共同完成任务的过程,可以提高程序的效率,但也带来同步问题。

🍔 生活类比:快餐店的工作流程

  • 单线程:一名员工负责点单、收钱、做汉堡、打包,顾客排队等待
  • 多线程:多名员工并行工作,有人专门点单,有人专门做汉堡,效率更高
  • 并发问题:如果两名员工同时去取同一个汉堡,就会出现冲突
单线程执行:                           多线程并发执行:
┌───────┐                            ┌───────┐
│ 任务A │                            │ 任务A │─Thread 1──┐
└───┬───┘                            └───────┘          ││                                ┌───────┐          │├───────────────┐                │ 任务B │─Thread 2──┼─→ 时间│               │                └───────┘          │▼               ▼                ┌───────┐          │
┌───────┐       ┌───────┐            │ 任务C │─Thread 3──┘
│ 任务B │       │ 任务C │            └───────┘
└───────┘       └───────┘

线程同步问题:争抢资源

当多个线程同时访问共享资源时,可能导致数据不一致、资源争用等问题,这就是线程同步问题的核心。

💰 生活类比:家庭共享银行账户

想象一下:你和配偶共享一个银行账户(共享资源),初始有1000元。

  1. 你在ATM机查询余额,显示1000元
  2. 你决定取出800元
  3. 与此同时,你的配偶在另一台ATM机也查询到余额是1000元
  4. 你的配偶决定取出500元
  5. 结果账户被取出了1300元,超出了初始的1000元!
# 模拟线程不安全的银行账户
class BankAccount:def __init__(self, balance=1000):self.balance = balancedef withdraw(self, amount):# 检查余额if self.balance >= amount:# 模拟网络延迟或处理时间time.sleep(0.1)# 执行取款self.balance -= amountreturn Truereturn False# 多线程环境下可能导致超额取款问题

临界区与竞态条件

临界区是访问共享资源的代码片段,竞态条件是指多线程以不可预期的顺序访问共享资源导致程序出错的情况。

🚽 生活类比:公共洗手间的使用

  • 临界区 = 洗手间本身,一次只能一个人使用
  • 竞态条件 = 两人同时冲向唯一的空厕所,谁先谁后不可预测
  • 解决方案 = 厕所门锁,进入者锁门,其他人等待

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