进程线程概念剖析-基础篇（一）

[上文我们操作系统的基础概]念，今天我们来深入剖析下进程、线程的概念。本小节为进程线程基础概念篇（一），主要介绍什么是进程、线程，以及为什么引入进程和线程。

进程、线程概念全解析（一）

一、进程基础概念

1. 什么是进程？为什么需要引入进程？

在早期，单一操作员单一控制终端，每次只能运行一个程序，CPU利用率不高。**为了提高 CPU 利用率，实现能将多个程序同时加载、并发执行，从而引入了进程的概念。**这些存在于计算机内存中的一个一个的程序就称之为进程。

也就是说，进程就是一个程序，比如我们打开的QQ，后台其实就是一个进程。这个概念的引入就是为了实现多道程序并发执行，以提高 CPU 的利用率。

同时这里也涉及到了两个新的概念，即并发与并行。

2. 并发与并行

并发，即感觉上好像是一起执行，但实际上同一时刻只有一处程序在运行，但一个时间段有多个程序在跑。而并行，就是同一时刻就有多个程序在运行。在早期单核的时代，进程引入实现的效果实际上是并发，它让每个用户感觉都是自己独占 CPU。

3. 进程的管理，即如何产生与消亡？

首先进程的管理者，无可厚非，就是操作系统。操作系统在管理进程时，需要记录进程的一些信息，这个用于维护进程记录的结构就是进程控制块（Process Control Block，PCB），它有点类似我们人的档案，包括我们的一些身份证信息等。在PCB中一般会存储包括程序计数器、寄存器、栈指针、进程ID、进程创建时间，当前持有的句柄等信息。

每个进程占用一片内存空间，进程之间是独立的，所以也就会引出下一个问题，即进程之间如果需要交流有什么方式。

4. 进程间通信的方式，后面会再详细介绍每种方式

管道、套接字、信号、信号量、共享内存、消息队列

二、线程相关基础概念

1. 什么是线程？为什么需要引入线程

这个问题可以转换为“为什么有了进程，还需要线程”，即“进程模型”有什么缺陷。进程模型的缺陷在于一个时间只能做一件事情，如果想同时做两件或多件事情，进程就不够用了，比如打开qq，想同时能和多个人一起聊天。此外，更为重要的是，如果进程在执行的过程中阻塞，例如等待输入，整个进程都会挂起，如果进程内只有少量工作输入等待输入，就造成了浪费。

基于上述问题，引入了线程的概念。可以理解线程就是为了帮助进程能同时做多个事情，并更好的提高利用率而产生的。

通常一个进程至少有一个线程，当一对一时，线程就可以认为是进程，所以通常也说线程其实是轻量级的进程。可以看到当有了线程概念后，其实线程才是CPU调度的最小单位，即基本单位。

2. 多线程相比多进程的好处？

这个问题其实等同于在问进程模型的缺陷，进程之间是不共享资源的，每个进程都有PCB来管理自己的“档案”信息，所以进程切换开销会很大，需要保存当前的状态信息，而同一个进程下的多线程是共享进程的资源的，切换开销相比进程要小很多。

对于I/O密集型任务，因为频繁发生I/O等待（即阻塞），会频繁进行切换，所以更适合于多线程，而对于CPU密集型任务，因为切换少，能用到多核，因为更适合于多进程。

3. 多线程可能带来的风险？

• 安全性：
  通常我们说安全性，即“永远不会发生糟糕的事情”，但显然多线程的场景，因为线程并发执行，顺序不可控，所以很容易发生不可预测的问题，特别是在操作共享变量的场景下。比如常见的 num++ 操作

• 活跃性
  活跃性即“某件正确的事情最终一定会执行”，但在多线程情况下，因为存在锁竞争，很容易发生类似于死锁（你等着我，我等着你）、饥饿（我永远没办法被调度）、活锁（前面一直出问题，后续的代码永远无法执行）等问题

• 性能问题
  性能问题即“正确的事情总是最快的被解决”，多线程总会带来某种程序的运行时开销，比如切换需要保存和恢复上下文等等，这就需要我们进行良好的并发程序设计

• 复杂度
  正因为并发程序有许多不可控性，在设计和代码编写、以及问题定位上都会更加复杂，对编程人员的要求也会更高

三、总结

总结如下：

• 进程是为了解决多道程序并发而产生
• 线程则是为了解决进程模型缺陷，让进程实现同时做多件事产生

进一步扩展问题，也是实际面试过程中遇到的：

1. 如何从操作系统层面理解进程与线程的概念？
2. 线程共享进程的资源，哪些资源是共享的，哪些资源是线程私有的？