《操作系统》- 线程与进程

深藏阁楼爱情的钟 2024-03-17 14:45 122阅读 0赞

#### 目录 ####

*   *  一、进程的概念
     *  二、进程的结构和特征
     *   *  2.1 进程的结构
         *  2.2 进程的特征
     *  三、线程的概念
     *  四、进程和线程比较
     *  五、线程的实现方式

### 一、进程的概念 ###

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*  程序放在磁盘上不叫做进程，只有运行起来之后才叫做进程，进程进程就是进行中的程序！
 *  一次运行就会有一个进程，当再次运行的时候就会产生一个新的进程，浏览器就是这样的，而有的应用程序就不是，当已经在运行的时候再次运行会打开上次运行的程序。我们可以打开应用然后通过任务管理器进行观察就可以发现。
 *  进程是`操作系统`进行`资源分配和调度`的一个独立单位（或者说是基本单位）

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### 二、进程的结构和特征 ###

#### 2.1 进程的结构 ####

进程主要有控制块（PCB）、数据段、程序段三部分构成，下图当中把这三块比喻成了一个人，也就是进程。

*  控制块：操作系统就是根据PCB来区分进程的，可以理解为每个进程有一个自己的唯一编号，就好比每个人都有自己的身份证一样，每个进程的PCB都是不重复的。
 *  数据段：每个进程的数据都是不一样的，并且不存在共享，可以理解为就是人的身体
 *  程序段：可以理解为就是磁盘当中存储的应用，以程序员的理解其实就是应用的代码，也就是多个进程可以共享一个程序代码。再通透一点，电脑安装了一个浏览器，却可以打开多个浏览器页面，多个浏览器页面就是多个进程。

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PCB的存储信息与分类

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#### 2.2 进程的特征 ####

*  动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
 *  并发性：多个进程可以并发执行
 *  独立性：独立资源分配，每个进程都有自己的内存区域。
 *  异步性：不用等待别的进程处理完成所以他是异步的、相互独立的、互不干扰。

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### 三、线程的概念 ###

线程可以理解为就是从进程当中分裂出来的一个指令集合。一个进程可以包含多个线程。也可以只存在一条线程，并且线程不能单独存在。线程的资源是由进程进行管理的。

我们打开一个应用就是进程，然后应用当中的每一个功能就对应了一个线程。

拿qq举例：打开qq就是一个进程的运行，这个时候在任务管理器当中是可以看得到该进程的，然后打开qq里面的qq空间就是一条线程，然后跟A聊天就又是一个线程，跟B聊天就又是一个线程。

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**面试的时候经常会问进程线程的区别：**

*  进程是操作系统 `资源分配调度` 的基本单位
 *  线程是操作系统 `运算调度` 的最小单位

想不起来的时候就想一下电脑的任务管理器，任务管理器当中显示了进程，并且显示了进程占用的内存CPU等信息。也就是操作系统是给进程分配空间而并不是线程。

**线程下还有一个纤程（了解即可）**

*  纤程：线程是在Windows内核中实现的，操作系统会根据系统的调度算法对线程进行调度。 纤程是在用户模式下实现的，内核对纤程一无所知。 纤程是更轻量级的线程，一个线程可以包含一个或多个纤程。

> Java 原生没有提供纤程支持，需要依赖于 `quasar-core`的库，来创建纤程。感兴趣的可以了解一下，据说是多线程与多纤程计算耗时相比较差距是非常大的，多纤程要比多线程快的多。

**线程的属性：**

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### 四、进程和线程比较 ###

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### 五、线程的实现方式 ###

线程的实现分为两类：用户级线程(User-Level Thread,UTL)和内核级线程(Kernel-Level Thread, KTL)l。内核级线程又称内核支持的线程。

在用户空间完成的线程就是用户级线程、在内核空间完成的线程就是内核级线程。这里的完成，包含了线程的创建、执行、和销毁。

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**（1）用户级方式**

操作系统提供了线程库，线程库包含了创建线程和销毁线程以及执行线程的接口。操作系统根本不知道线程这个东西，他在执行的时候是以进程装载线程指令来执行的。假如某个线程想要操作内核，这时候会通过陷入指令进行中断，一旦中断其他线程都将阻塞。优点：如果线程不访问内核，只是线程切换，效率比较高。因为所有的线程都在用户空间。

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*  优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。
 *  缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行(因为此时只有一个内核级线程)。

**（2）内核级方式**

内核级线程的线程控制块在内核空间，上面我们提到了进程由控制块（PCB）、数据段、程序段这三部分构成，而线程他也有，只不过线程的控制块是叫做线程控制块（TCB）。内核级方式就是将线程的控制块存放到内核当中，然后处理器直接切换控制块来完成线程的切换。这时候就完成了线程的并行。

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*  优点：当一个用户级线程被阻塞后，别的用户级线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
 *  缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，而内核级线程的切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理成本高、开销大。

> 本质上内核级方式和用户级方式 两者的区别就是线程的控制块到底是在用户空间还是在内核空间。

**（3）特殊的组合方式**

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这种模型克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点，是上述两种模型的折中方案。

> 参考：《马士兵操作系统讲解》[https://www.bilibili.com/video/BV1Ha411e7D4/][https_www.bilibili.com_video_BV1Ha411e7D4]

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