為什么會(huì)有進(jìn)程

在簡(jiǎn)單的批處理操作系統(tǒng)中，作業(yè)時(shí)串行執(zhí)行的，即一個(gè)作業(yè)一旦開(kāi)始執(zhí)行，它就會(huì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源，直到運(yùn)行結(jié)束之后，下一個(gè)作業(yè)才可以繼續(xù)執(zhí)行。

在多道程序設(shè)計(jì)批處理的系統(tǒng)中，多個(gè)作業(yè)可以被載入內(nèi)存，從宏觀上看，多個(gè)作業(yè)并行執(zhí)行，他們共享處理器、內(nèi)存等計(jì)算機(jī)資源。

在分時(shí)系統(tǒng)中，為支持多用戶交互，處理器在時(shí)間維度上被劃為若干間隙，在每一時(shí)間間隙，一個(gè)用戶完全占有計(jì)算器資源。由于時(shí)間間隙很短，在宏觀上看，計(jì)算機(jī)任可以同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)、提高計(jì)算機(jī)與用戶交互的效率。
程序或作業(yè)的并發(fā)執(zhí)行是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)基本特征。并發(fā)執(zhí)行的程序必要滿足以下幾個(gè)特征才能稱(chēng)為真正意義上的并發(fā)執(zhí)行：

資源共享的需求、相互隔離的要求、通信和同步的要求

要實(shí)現(xiàn)多個(gè)程序的并發(fā)執(zhí)行，它們必需能夠共享處理器、內(nèi)存以及I/O設(shè)備等計(jì)算機(jī)資源。

盡管多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但在邏輯上各個(gè)程序應(yīng)當(dāng)是相互獨(dú)立的，即一個(gè)程序的執(zhí)行結(jié)果不受其它程序執(zhí)行的影響。

有時(shí)候，程序之間不完全是相互隔離的，而是存在依賴(lài)關(guān)系的，即需要進(jìn)行通信和同步。

所以要實(shí)現(xiàn)真正意義上的并發(fā)，單純的依靠處理器的指令循環(huán)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

進(jìn)程的概念

進(jìn)程是對(duì)一個(gè)計(jì)算任務(wù)的抽象和封裝，使每個(gè)計(jì)算任務(wù)更好地實(shí)現(xiàn)隔離性、資源共享性和同步的需求。

進(jìn)程的說(shuō)法有很多、可以這樣理解進(jìn)程的概念：

1.進(jìn)程是計(jì)算機(jī)程序在處理器上執(zhí)行時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)，即進(jìn)程時(shí)程序的一次執(zhí)行活動(dòng)

2.進(jìn)程是對(duì)一次計(jì)算任務(wù)的封裝和抽象、它是一個(gè)由執(zhí)行流、一個(gè)數(shù)據(jù)集、和相關(guān)的系統(tǒng)的資源組成的一個(gè)活動(dòng)單元。

3.進(jìn)程是程序執(zhí)行的一次實(shí)例，是動(dòng)態(tài)的概念、而程序本質(zhì)上是一個(gè)規(guī)則（是一個(gè)二進(jìn)制串、也就是機(jī)器指令）、通常以文件的形式存在、是靜態(tài)的概念、一個(gè)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行一個(gè)程序的多個(gè)進(jìn)程。

4.進(jìn)程之間共享計(jì)算機(jī)資源、并在邏輯上相互獨(dú)立、或者通過(guò)同步機(jī)制相互的協(xié)調(diào)，共同的完成一項(xiàng)計(jì)算任務(wù)。

進(jìn)程的特征

進(jìn)程是由多程序的并發(fā)執(zhí)行而引出的，它和程序是兩個(gè)截然不同的概念。進(jìn)程的基本特征是對(duì)比單個(gè)程序的順序執(zhí)行提出的，也是對(duì)進(jìn)程管理提出的基本要求。

動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，它有著創(chuàng)建、活動(dòng)、暫停、終止等過(guò)程，具有一定的生命周期，是動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生、變化和消亡的。動(dòng)態(tài)性是進(jìn)程最基本的特征。

并發(fā)性：指多個(gè)進(jìn)程實(shí)體，同存于內(nèi)存中，能在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行，并發(fā)性是進(jìn)程的重要特征，同時(shí)也是操作系統(tǒng)的重要特征。引入進(jìn)程的目的就是為了使程序能與其他進(jìn)程的程序并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利用率。

獨(dú)立性：指進(jìn)程實(shí)體是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立獲得資源和獨(dú)立接受調(diào)度的基本單位。凡未建立PCB的程序都不能作為一個(gè)獨(dú)立的單位參與運(yùn)行。

異步性：由于進(jìn)程的相互制約，使進(jìn)程具有執(zhí)行的間斷性，即進(jìn)程按各自獨(dú)立的、 不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。異步性會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果的不可再現(xiàn)性，為此，在操作系統(tǒng)中必須配置相應(yīng)的進(jìn)程同步機(jī)制。

結(jié)構(gòu)性：每個(gè)進(jìn)程都配置一個(gè)PCB對(duì)其進(jìn)行描述。從結(jié)構(gòu)上看，進(jìn)程實(shí)體是由程序段、數(shù)據(jù)段和進(jìn)程控制段三部分組成的。

線程

是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。

線程的結(jié)構(gòu)

線程控制塊：與進(jìn)程控制塊類(lèi)似，包含了描述線程屬性的信息，如線程ID、線程的棧指針、程序計(jì)數(shù)器、條件碼和通用寄存器的值等，以及線程的執(zhí)行狀態(tài)（運(yùn)行、就緒等）。

線程執(zhí)行棧：保存一個(gè)線程執(zhí)行過(guò)程中的活動(dòng)記錄，包括用戶棧和內(nèi)核棧。其中用戶棧用于保存過(guò)程調(diào)用的活動(dòng)記錄，內(nèi)核棧用于保存系統(tǒng)調(diào)用的活動(dòng)記錄。執(zhí)行棧對(duì)于每個(gè)線程來(lái)說(shuō)都是私有的，因此不同線程的執(zhí)行流不會(huì)發(fā)生相互干擾。

線程局部存儲(chǔ)（TLS，Thread Local Storage）：是某些操作系統(tǒng)為線程單獨(dú)提供的私有空間，用于存儲(chǔ)每個(gè)線程私有的全局變量，即一個(gè)線程內(nèi)部的各個(gè)過(guò)程調(diào)用都能訪問(wèn)、但其他線程不能訪問(wèn)的變量。

進(jìn)程之中創(chuàng)建線程的優(yōu)點(diǎn)

在一個(gè)進(jìn)程之中創(chuàng)建線程的優(yōu)點(diǎn)：

1.在一個(gè)已有的進(jìn)程之中創(chuàng)建一個(gè)線程比創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程所需的開(kāi)銷(xiāo)時(shí)間要少許多、Mach開(kāi)發(fā)者的研究表明、創(chuàng)建一個(gè)線程比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程快10倍。

2.終止一個(gè)線程比終止一個(gè)進(jìn)程所花費(fèi)的時(shí)間要少

3.同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)線程之間的切換所花費(fèi)的時(shí)間要比進(jìn)程之間切換所花費(fèi)的時(shí)間要少

4.線程提高了程序之間的通信效率、在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中、獨(dú)立的進(jìn)程之間的通信需要內(nèi)核的介入、但是同一個(gè)進(jìn)程之中的線程共享內(nèi)存和文件、同一個(gè)進(jìn)程之中的線程之間的通信不需要內(nèi)核的介入。

進(jìn)程和線程的區(qū)別

地址空間：

線程共享本進(jìn)程的地址空間，而進(jìn)程之間是獨(dú)立的地址空間。

資源：

線程共享本進(jìn)程的資源如內(nèi)存、I/O、cpu等，不利于資源的管理和保護(hù)，而進(jìn)程之間的資源是獨(dú)立的，能很好的進(jìn)行資源管理和保護(hù)。

健壯性：

多進(jìn)程要比多線程健壯，一個(gè)進(jìn)程崩潰后，在保護(hù)模式下不會(huì)對(duì)其他進(jìn)程產(chǎn)生影響，但是一個(gè)線程崩潰整個(gè)進(jìn)程都死掉。

執(zhí)行過(guò)程：

每個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程有一個(gè)程序運(yùn)行的入口、順序執(zhí)行序列和程序入口，執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)大。

線程不能獨(dú)立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個(gè)線程執(zhí)行控制，執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)小。

可并發(fā)性：

兩者均可并發(fā)執(zhí)行。

切換時(shí)：

進(jìn)程切換時(shí)，消耗的資源大，效率高。所以涉及到頻繁的切換時(shí)，使用線程要好于進(jìn)程。同樣如果要求同時(shí)進(jìn)行并且又要共享某些變量的并發(fā)操作，只能用線程不能用進(jìn)程。

線程是處理器調(diào)度的最小單位，但是進(jìn)程時(shí)操作系統(tǒng)資源分配的最小單位。

進(jìn)程和線程之間的關(guān)系

總結(jié)

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