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聊透多线程编程-线程基础-1.进程、线程基础概念

news 来源：原创 2025/9/18 8:04:02

一、进程

二、线程

三、进程与线程的关系

四、进程与线程的比较

注：本文多张图片来源于网络，如有侵权，请联系删除

一、进程

1. 进程的定义

进程是指在系统中正在运行的一个应用程序的实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它包含了程序执行的上下文环境，包括程序计数器、寄存器、堆栈、内存空间等。例如，当你打开一个浏览器，浏览器程序就会作为一个进程在操作系统中运行，操作系统会为该进程分配内存、CPU 时间等资源。

2. 进程的状态

就绪状态：进程已获得除 CPU 以外的所有必要资源，只要获得 CPU 时间，就可以立即执行。例如，多个应用程序同时启动后，它们的进程会处于就绪状态，等待 CPU 分配时间片来运行。
运行状态：进程正在 CPU 上执行。在单 CPU 系统中，任何时刻最多只有一个进程处于运行状态；在多 CPU 系统中，可能有多个进程同时处于运行状态。
阻塞状态：进程因等待某一事件而暂时无法继续执行，如等待输入输出完成、等待信号量等。例如，当进程需要从磁盘读取数据时，它会进入阻塞状态，直到数据读取完成。

3. 进程的组成

程序段：是进程中可执行的代码部分，包含了实现进程功能的指令序列。例如，一个 C 语言编写的程序，其编译后的可执行文件中的代码部分就是程序段。
数据段：用于存储进程运行时所需要的数据，包括全局变量、静态变量等。例如，在一个计算平均数的程序中，用于存储输入数据的数组就位于数据段。
进程控制块（PCB）：是操作系统用于管理进程的专门数据结构，包含了进程的各种信息，如进程标识符、进程状态、优先级、程序计数器、寄存器值等。操作系统通过 PCB 来对进程进行控制和管理。

4. 进程的调度

调度的概念：由于系统中存在多个进程，而 CPU 资源有限，需要通过进程调度来决定哪个进程能够获得 CPU 时间片进行执行。
调度算法：常见的调度算法有多种。
- 先来先服务（FCFS）：按照进程到达的先后顺序进行调度，先到达的进程先获得 CPU 资源。例如，多个作业依次提交到系统中，系统会按照它们提交的顺序依次执行。
- 短进程优先（SPF）：优先调度运行时间短的进程。这种算法可以提高系统的吞吐量，但可能会导致长进程长时间等待。
- 优先级调度：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先获得 CPU 资源。例如，系统中的关键进程（如系统更新进程）可以设置较高的优先级，以确保它们能够及时得到执行。
- 时间片轮转调度：将 CPU 时间划分为固定大小的时间片，每个进程轮流在一个时间片内执行。当时间片用完后，无论进程是否执行完毕，都会被暂停，然后调度下一个进程执行。这种算法可以保证每个进程都能得到一定的 CPU 时间，实现了进程之间的公平调度。

5. 进程间通信

管道：是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，通常用于具有亲缘关系的进程之间（如父子进程）。例如，在 Linux 系统中，可以使用管道将一个命令的输出作为另一个命令的输入。

消息队列：进程可以向消息队列中发送消息，也可以从消息队列中读取消息。消息队列可以实现不同进程之间的异步通信。例如，一个进程负责产生数据并将其放入消息队列，另一个进程从消息队列中取出数据进行处理。
共享内存：多个进程可以共享同一块内存区域，通过对共享内存的读写来实现数据交换和通信。这是一种高效的通信方式，但需要注意进程之间对共享内存的同步访问，以避免数据冲突。
信号量：主要用于进程之间的同步和互斥控制。它是一个计数器，用于表示系统中某种资源的可用数量。例如，当多个进程需要访问同一台打印机时，可以使用信号量来确保在同一时刻只有一个进程能够使用打印机。

二、线程

1. 线程的定义

线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。它可以与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源，包括内存空间、文件描述符等，但是每个线程有自己独立的程序计数器、寄存器和栈空间，能够独立执行程序代码。例如，在一个浏览器进程中，可能会有多个线程，如负责页面渲染的线程、处理网络请求的线程、执行 JavaScript 代码的线程等，它们协同工作，共同完成浏览器的各种功能。

2.线程的特点

轻量级：创建和销毁线程的开销比进程小得多。因为线程是在进程内部创建的，不需要像创建进程那样分配大量的系统资源，如内存空间、文件系统资源等。
并发执行：同一进程中的多个线程可以并发执行，从而提高程序的执行效率和响应速度。多个线程可以同时处理不同的任务，例如在一个多线程的文件下载程序中，一个线程可以负责从网络中读取数据，另一个线程可以将读取到的数据写入文件，还有一个线程可以实时更新下载进度条，这样可以让用户感觉到下载过程更加流畅，同时也提高了下载的效率。
共享资源：线程可以访问和共享所属进程的资源，这使得线程之间的通信和数据共享变得非常方便。例如，多个线程可以访问同一个全局变量，从而实现数据的共享和交换。但是，这种共享也需要注意线程安全问题，以避免多个线程同时访问和修改同一资源时导致数据不一致。

3.线程的状态

新建状态：当线程被创建时，它处于新建状态。此时，线程对象已经被分配了内存空间，但是还没有开始执行线程的代码。例如，通过new Thread()创建一个线程对象后，该线程就处于新建状态。
就绪状态：线程创建后，调用start()方法，线程就进入就绪状态。在就绪状态下，线程已经具备了执行的条件，等待 CPU 调度器将其调度到 CPU 上执行。
运行状态：当 CPU 调度器选择了一个就绪状态的线程并将其分配到 CPU 上执行时，线程就进入运行状态。在运行状态下，线程执行其包含的代码逻辑。
阻塞状态：线程在执行过程中，可能会因为某些原因而暂停执行，进入阻塞状态。例如，线程在等待某个事件的发生（如等待用户输入、等待网络数据到达）、调用了sleep()方法或者获取不到所需的资源（如锁）等情况。当阻塞的原因解除后，线程会重新回到就绪状态，等待 CPU 调度再次进入运行状态。
终止状态：当线程执行完其代码逻辑或者因为异常等原因提前结束时，线程进入终止状态。处于终止状态的线程不再具备执行的能力，其占用的系统资源会被释放。

4.线程的实现方式

用户级线程：用户级线程是由用户程序自己实现的线程，不需要操作系统的支持。这种线程的创建、调度和管理都由用户程序自己完成，操作系统并不知道用户级线程的存在。用户级线程的优点是实现简单，不需要操作系统的特殊支持，而且线程的切换速度快，因为不需要陷入操作系统内核。但是，用户级线程不能充分利用多核处理器的并行性，因为操作系统只能看到进程，而无法对用户级线程进行调度。
内核级线程：内核级线程是由操作系统内核支持的线程。操作系统内核负责线程的创建、调度和管理，为每个线程分配独立的内核数据结构和栈空间。内核级线程可以充分利用多核处理器的并行性，因为操作系统可以对每个线程进行独立的调度。但是，内核级线程的创建和切换开销较大，因为需要陷入操作系统内核，进行上下文切换等操作。
混合式线程：混合式线程结合了用户级线程和内核级线程的优点。它将多个用户级线程映射到较少的内核级线程上，通过用户级线程库来管理用户级线程，而由操作系统内核来管理内核级线程。这样既可以提高线程的创建和切换速度，又可以充分利用多核处理器的并行性。

5.线程安全与同步

线程安全问题：当多个线程同时访问和修改共享资源时，可能会导致数据不一致或者程序出现错误的结果，这就是线程安全问题。例如，两个线程同时对一个全局变量进行加 1 操作，如果没有适当的同步机制，可能会导致最终的结果与预期不符。
同步机制：为了解决线程安全问题，需要使用同步机制来确保在同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。常见的同步机制包括锁、信号量、互斥量、条件变量等。例如，使用 Java 语言中的synchronized关键字可以对方法或者代码块进行加锁，确保在同一时刻只有一个线程能够执行被synchronized修饰的代码。

三、进程与线程的关系

线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。进程是资源分配的基本单位，而线程是 CPU 调度的基本单位。线程共享所属进程的资源，如内存空间、文件描述符等，但每个线程都有自己独立的栈空间、程序计数器和寄存器等。

四、进程与线程的比较

资源分配：

进程是资源分配的基本单位，操作系统会为每个进程分配独立的内存空间，包括代码段、数据段、堆和栈等区域，同时还会分配文件描述符、打开的文件、信号处理等资源。每个进程拥有自己独立的地址空间，进程之间的资源相互隔离，互不干扰。
线程本身并不拥有系统资源（除了一些必不可少的资源，如程序计数器、寄存器和栈等），而是共享所属进程的资源，这使得线程之间的资源共享更加容易。但由于多个线程共享同一进程的资源，在对共享资源进行访问时，就需要注意资源访问的同步问题，以避免数据不一致或竞态条件的发生。

调度：

进程的调度由操作系统的进程调度器负责，调度的单位是进程。在进行进程切换时，需要保存和恢复进程的上下文信息，包括进程的地址空间、寄存器状态等，这个过程开销较大。
线程是 CPU 调度的基本单位，操作系统可以更精细地对线程进行调度。线程的上下文切换相对简单，因为线程共享进程的地址空间，只需要保存和恢复线程的局部状态（如程序计数器、寄存器值和栈指针等），所以线程切换的开销较小，能够提高系统的并发性能，使得系统可以在更短的时间内处理更多的任务。

并发能力：

进程之间的并发是通过操作系统的进程调度来实现的，每个进程在其独立的地址空间中运行，进程之间的并发粒度较大。不同进程之间的通信和协作需要通过专门的进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存等，这些机制相对复杂且开销较大。线程之间的并发除了依赖操作系统的调度外，还可以在同一进程内通过线程的切换来实现更细粒度的并发。同一进程内的多个线程可以并发执行，它们之间可以直接共享数据，通信和协作相对简单高效。因此，在处理并发任务时，多线程编程通常比多进程编程更具有优势，可以更充分地利用 CPU 资源，提高程序的执行效率和响应速度。

健壮性：

进程具有较高的独立性和健壮性，一个进程的崩溃通常不会影响到其他进程，因为每个进程有自己独立的地址空间和资源。如果一个进程出现异常，操作系统可以将其终止而不影响其他进程的正常运行。
线程的健壮性相对较低，由于线程共享进程的资源，一个线程的错误（如访问非法内存、死循环等）可能会导致整个进程崩溃，因为它们都处于同一进程的地址空间内，一个线程的错误操作可能会破坏进程的资源，影响其他线程的正常运行。

创建和销毁开销：

创建进程时，操作系统需要为其分配大量的系统资源，如内存空间、文件描述符等，还需要进行进程控制块（PCB）等数据结构的初始化，因此创建进程的开销较大。销毁进程时，也需要释放其占用的所有资源，包括回收内存、关闭文件等操作，开销也比较大。
创建线程的开销相对较小，因为线程不需要分配独立的地址空间，只需要在进程的地址空间内分配少量的栈空间和寄存器等资源，并进行一些简单的初始化操作。销毁线程时，也只需要释放线程自身占用的少量资源，开销较小，这使得在需要频繁创建和销毁执行单元的场景下，使用线程比使用进程更加合适。

编程复杂度：

进程编程相对简单，因为进程之间相互独立，不需要考虑资源共享和同步的问题，进程间的通信和协作通过专门的 IPC 机制进行，这些机制相对明确和规范。
线程编程的复杂度较高，由于线程共享进程的资源，需要仔细考虑资源共享和同步的问题，以避免出现数据竞争、死锁等问题。同时，多线程编程还需要处理线程的生命周期管理、线程间的协调等问题，这对程序员的编程能力和经验要求较高。

一、进程

二、线程

三、进程与线程的关系

四、进程与线程的比较

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