前言

話不多說(shuō)，先來(lái)張思維腦圖~~

• 進(jìn)程與線程的關(guān)系
• 并行與并發(fā)
• 進(jìn)程與線程的上下文切換

進(jìn)程與線程的關(guān)系

什么是進(jìn)程

我們編寫的代碼只是一個(gè)存儲(chǔ)在硬盤的靜態(tài)文件，通過(guò)編譯后就會(huì)生成二進(jìn)制可執(zhí)行文件，當(dāng)我們運(yùn)行這個(gè)可執(zhí)行文件后，它會(huì)被裝載到內(nèi)存中，接著 CPU 會(huì)執(zhí)行程序中的每一條指令，那么這個(gè)運(yùn)行中的程序，就被稱為「進(jìn)程」（Process）。進(jìn)程包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器和程序變量的當(dāng)前值。

進(jìn)程的特征

1. 進(jìn)程依賴于程序運(yùn)行而存在，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的，程序是靜態(tài)的。
2. 進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。
3. 每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間，地址空間包括代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧區(qū)，進(jìn)程之間的地址空間是隔離的，互不影響。

什么是線程

進(jìn)程的創(chuàng)建、銷毀與切換存在著較大的時(shí)空開(kāi)銷，在80年代，線程的概念開(kāi)始出現(xiàn)，線程被設(shè)計(jì)成進(jìn)程的一個(gè)執(zhí)行路徑，同一個(gè)進(jìn)程中的線程共享進(jìn)程的資源，因此系統(tǒng)對(duì)線程的調(diào)度所需的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程。

同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)多個(gè)線程之間可以共享代碼段、數(shù)據(jù)段、打開(kāi)的文件等資源，但每個(gè)線程各自都有一套獨(dú)立的寄存器和棧，這樣可以確保線程的控制流是相對(duì)獨(dú)立的。

線程的優(yōu)點(diǎn)：

• 一個(gè)進(jìn)程中可以同時(shí)存在多個(gè)線程；
• 各個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行；
• 各個(gè)線程之間可以共享地址空間和文件等資源；

進(jìn)程與線程的比較

• 進(jìn)程是資源（包括內(nèi)存、打開(kāi)的文件等）分配的單位，線程是 CPU 調(diào)度的基本單位；
• 資源開(kāi)銷：每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的地址空間，進(jìn)程之間的切換會(huì)有較大的開(kāi)銷；線程可以看做輕量級(jí)的進(jìn)程，同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程共享進(jìn)程的地址空間，每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器，線程之間切換的開(kāi)銷小。
• 包含關(guān)系：一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程，線程是進(jìn)程的一部分，所以線程也被稱為輕權(quán)進(jìn)程或者輕量級(jí)進(jìn)程。

對(duì)于，線程相比進(jìn)程能減少開(kāi)銷，體現(xiàn)在：

• 線程的創(chuàng)建時(shí)間比進(jìn)程快，因?yàn)檫M(jìn)程在創(chuàng)建的過(guò)程中，還需要資源管理信息，比如內(nèi)存管理信息、文件管理信息，而線程在創(chuàng)建的過(guò)程中，不會(huì)涉及這些資源管理信息，而是共享它們；
• 線程的終止時(shí)間比進(jìn)程快，因?yàn)榫€程釋放的資源相比進(jìn)程少很多；
• 同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程切換比進(jìn)程切換快。
• 由于同一進(jìn)程的各線程間共享內(nèi)存和文件資源，那么在線程之間數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)候，就不需要經(jīng)過(guò)內(nèi)核了，這就使得線程之間的數(shù)據(jù)交互效率更高了；

所以，不管是時(shí)間效率，還是空間效率線程比進(jìn)程都要高。

進(jìn)程與線程的關(guān)系圖

并行與并發(fā)

多個(gè)程序、交替執(zhí)行的思想，就有 CPU 管理多個(gè)進(jìn)程的初步想法。

對(duì)于一個(gè)支持多進(jìn)程的系統(tǒng)，CPU 會(huì)從一個(gè)進(jìn)程快速切換至另一個(gè)進(jìn)程，其間每個(gè)進(jìn)程各運(yùn)行幾十或幾百個(gè)毫秒。

雖然單核的 CPU 在某一個(gè)瞬間，只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程。但在 1 秒鐘期間，它可能會(huì)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，這樣就產(chǎn)生并行的錯(cuò)覺(jué)，實(shí)際上這是并發(fā)。

上下文切換

進(jìn)程的上下文切換

所謂的進(jìn)程上下文，就是一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行的時(shí)候，CPU的所有寄存器中的值、進(jìn)程的狀態(tài)以及堆棧上的內(nèi)容，當(dāng)內(nèi)核需要切換到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它 需要保存當(dāng)前進(jìn)程的所有狀態(tài)，即保存當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程上下文，以便再次執(zhí)行該進(jìn)程時(shí)，能夠恢復(fù)切換時(shí)的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行。

發(fā)生進(jìn)程上下文切換有哪些場(chǎng)景？

• 為了保證所有進(jìn)程可以得到公平調(diào)度，CPU 時(shí)間被劃分為一段段的時(shí)間片，這些時(shí)間片再被輪流分配給各個(gè)進(jìn)程。
• 進(jìn)程在系統(tǒng)資源不足（比如內(nèi)存不足）時(shí)，要等到資源滿足后才可以運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程也會(huì)被掛起，并由系統(tǒng)調(diào)度其他進(jìn)程運(yùn)行；
• 當(dāng)進(jìn)程通過(guò)睡眠函數(shù) sleep 這樣的方法將自己主動(dòng)掛起時(shí)，自然也會(huì)重新調(diào)度；
• 當(dāng)有優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，為了保證高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)程會(huì)被掛起，由高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程來(lái)運(yùn)行；

線程的上下文切換

當(dāng)進(jìn)程擁有多個(gè)線程時(shí)，這些線程會(huì)共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源，這些資源在上下文切換時(shí)是不需要修改的；

不過(guò)，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時(shí)也是需要保存的。

線程上下文切換的是什么？

當(dāng)兩個(gè)線程是屬于同一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)；

所以，線程的上下文切換相比進(jìn)程，開(kāi)銷要小很多。