一、背景知識(shí)

顧名思義，進(jìn)程即正在執(zhí)行的一個(gè)過(guò)程。進(jìn)程是對(duì)正在運(yùn)行程序的一個(gè)抽象。

進(jìn)程的概念起源于操作系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)最核心的概念，也是操作系統(tǒng)提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。操作系統(tǒng)的其他所有內(nèi)容都是圍繞進(jìn)程的概念展開(kāi)的。

**所以想要真正了解進(jìn)程，必須事先了解操作系統(tǒng)。 **

PS：即使可以利用的cpu只有一個(gè)（早期的計(jì)算機(jī)確實(shí)如此），也能保證支持（偽）并發(fā)的能力。將一個(gè)單獨(dú)的cpu變成多個(gè)虛擬的cpu（多道技術(shù)：時(shí)間多路復(fù)用和空間多路復(fù)用+硬件上支持隔離），沒(méi)有進(jìn)程的抽象，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)將不復(fù)存在。

必備的理論基礎(chǔ)：

'''
#一 操作系統(tǒng)的作用：
    1：隱藏丑陋復(fù)雜的硬件接口，提供良好的抽象接口
    2：管理、調(diào)度進(jìn)程，并且將多個(gè)進(jìn)程對(duì)硬件的競(jìng)爭(zhēng)變得有序

#二 多道技術(shù)：
    1.產(chǎn)生背景：針對(duì)單核，實(shí)現(xiàn)并發(fā)
    ps：現(xiàn)在的主機(jī)一般是多核，那么每個(gè)核都會(huì)利用多道技術(shù)，但是核與核之間沒(méi)有使用多道技術(shù)切換這么一說(shuō)；
    有4個(gè)cpu，運(yùn)行于cpu1的某個(gè)程序遇到io阻塞，會(huì)等到io結(jié)束再重新調(diào)度，會(huì)被調(diào)度到4個(gè)cpu中的任意一個(gè)，具體由操作系統(tǒng)調(diào)度算法決定。
    
    2.時(shí)間上的復(fù)用（復(fù)用一個(gè)cpu的時(shí)間片）+空間上的復(fù)用（如內(nèi)存中同時(shí)有多道程序）
'''

本文將將著重介紹進(jìn)程以及它的親戚->線(xiàn)程

二、進(jìn)程

2.1-2.4 (重點(diǎn)部分)

2.5-2.9（了解部分）

2.1 什么是進(jìn)程

進(jìn)程：正在進(jìn)行的一個(gè)過(guò)程或者說(shuō)一個(gè)任務(wù)。而負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)則是cpu。

? 舉例（單核+多道，實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行）：

? egon在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)有很多任務(wù)要做：python備課的任務(wù)，寫(xiě)書(shū)的任務(wù)，交女朋友的任務(wù)，王者榮耀上分的任務(wù)，

? 但egon同一時(shí)刻只能做一個(gè)任務(wù)（cpu同一時(shí)間只能干一個(gè)活），如何才能玩出多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的效果？

? egon備一會(huì)課，再去跟李杰的女朋友聊聊天，再去打一會(huì)王者榮耀....這就保證了每個(gè)任務(wù)都在進(jìn)行中。

2.2 進(jìn)程與程序的區(qū)別

程序僅僅只是一堆代碼而已，而進(jìn)程指的是程序的運(yùn)行過(guò)程。

舉例：

想象一位有一手好廚藝的計(jì)算機(jī)科學(xué)家egon正在為他的女兒元昊烘制生日蛋糕。

他有做生日蛋糕的食譜，

廚房里有所需的原料:面粉、雞蛋、韭菜，蒜泥等。

在這個(gè)比喻中：

? 做蛋糕的食譜就是程序(即用適當(dāng)形式描述的算法)

? 計(jì)算機(jī)科學(xué)家就是處理器(cpu)

? 而做蛋糕的各種原料就是輸入數(shù)據(jù)。

進(jìn)程就是廚師閱讀食譜、取來(lái)各種原料以及烘制蛋糕等一系列動(dòng)作的總和。

現(xiàn)在假設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家egon的兒子alex哭著跑了進(jìn)來(lái)，說(shuō)：XXXXXXXXXXXXXX。

科學(xué)家egon想了想，處理兒子alex蟄傷的任務(wù)比給女兒元昊做蛋糕的任務(wù)更重要，于是

計(jì)算機(jī)科學(xué)家就記錄下他照著食譜做到哪兒了(保存進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài))，然后拿出一本急救手冊(cè)，按照其中的指示處理蟄傷。這里，我們看到處理機(jī)從一個(gè)進(jìn)程(做蛋糕)切換到另一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程(實(shí)施醫(yī)療救治)，每個(gè)進(jìn)程擁有各自的程序(食譜和急救手冊(cè))。當(dāng)蜜蜂蟄傷處理完之后，這位計(jì)算機(jī)科學(xué)家又回來(lái)做蛋糕，從他
離開(kāi)時(shí)的那一步繼續(xù)做下去。

需要強(qiáng)調(diào)的是：同一個(gè)程序執(zhí)行兩次，那也是兩個(gè)進(jìn)程，比如打開(kāi)暴風(fēng)影音，雖然都是同一個(gè)軟件，但是一個(gè)可以播放蒼井空，一個(gè)可以播放飯島愛(ài)。

2.3 并發(fā)與并行

無(wú)論是并行還是并發(fā)，在用戶(hù)看來(lái)都是'同時(shí)'運(yùn)行的，不管是進(jìn)程還是線(xiàn)程，都只是一個(gè)任務(wù)而已，真是干活的是cpu，cpu來(lái)做這些任務(wù)，而一個(gè)cpu同一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)

? 一 并發(fā)：是偽并行，即看起來(lái)是同時(shí)運(yùn)行。單個(gè)cpu+多道技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)，（并行也屬于并發(fā)）

//單cpu，多進(jìn)程，并發(fā)的概念（例一）
你是一個(gè)cpu，你同時(shí)談了三個(gè)女朋友，每一個(gè)都可以是一個(gè)戀愛(ài)任務(wù)，你被這三個(gè)任務(wù)共享
要玩出并發(fā)戀愛(ài)的效果，
應(yīng)該是你先跟女友1去看電影，看了一會(huì)說(shuō)：不好，我要拉肚子，
然后跑去跟第二個(gè)女友吃飯，吃了一會(huì)說(shuō)：那啥，我去趟洗手間，
然后跑去跟女友3開(kāi)了個(gè)房

//單cpu，多進(jìn)程，并發(fā)的概念（例二）
某天下午，egon，yuanhao，wupeiqi，alex約好了一起去嫖娼，但娼只有一個(gè)，cpu只有一個(gè)，但是卻要‘同時(shí)’干
四個(gè)任務(wù)(嫖出并發(fā)的效果)，那就必須是干一會(huì)egon，再干一會(huì)yuanhao，再干一會(huì)wupeiqi，再干一會(huì)alex
egon：花了200塊錢(qián)，因?yàn)槿嗣阑詈?yuanhao：500塊錢(qián)
wupeiqi：100塊錢(qián)，可能是不太行
alex：沒(méi)要錢(qián)，為啥？？？因?yàn)榇蠹覄倓傛蔚氖撬笥?

二 并行：同時(shí)運(yùn)行，只有具備多個(gè)cpu才能實(shí)現(xiàn)并行

? 單核下，可以利用多道技術(shù)，多個(gè)核，每個(gè)核也都可以利用多道技術(shù)（多道技術(shù)是針對(duì)單核而言的）

? 有四個(gè)核，六個(gè)任務(wù)，這樣同一時(shí)間有四個(gè)任務(wù)被執(zhí)行，假設(shè)分別被分配給了（cpu1，cpu2，cpu3，cpu4）

? 一旦任務(wù)1遇到I/O就被迫中斷執(zhí)行，此時(shí)任務(wù)5就拿到cpu1的時(shí)間片去執(zhí)行，這就是單核下的多道技術(shù)

? 而一旦任務(wù)1的I/O結(jié)束了，操作系統(tǒng)會(huì)重新調(diào)用它(需知進(jìn)程的調(diào)度、分配給哪個(gè)cpu運(yùn)行，由操作系統(tǒng)說(shuō)了算)，可能被分配給四個(gè)cpu中的任意一個(gè)去執(zhí)行。

img

所有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)經(jīng)常會(huì)在同一時(shí)間做很多件事，一個(gè)用戶(hù)的PC（無(wú)論是單cpu還是多cpu），都可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)（一個(gè)任務(wù)可以理解為一個(gè)進(jìn)程）。

啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程來(lái)殺毒（360軟件）

啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程來(lái)看電影（暴風(fēng)影音）

啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程來(lái)聊天（騰訊QQ）

所有的這些進(jìn)程都需被管理，于是一個(gè)支持多進(jìn)程的多道程序系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

? 多道技術(shù)：內(nèi)存中同時(shí)存入多道（多個(gè)）程序，cpu從一個(gè)進(jìn)程快速切換到另外一個(gè)，使每個(gè)進(jìn)程各自運(yùn)行幾十或幾百毫秒，這樣，雖然在某一個(gè)瞬間，一個(gè)cpu只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，但在1秒內(nèi)，cpu卻可以運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，這就給人產(chǎn)生了并行的錯(cuò)覺(jué)，即并發(fā)，以此來(lái)區(qū)分多處理器操作系統(tǒng)的真正硬件并行（多個(gè)cpu共享同一個(gè)物理內(nèi)存）。

2.4 同步與異步

同步執(zhí)行：一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，另外一個(gè)進(jìn)程必須等待其執(zhí)行完畢，才能繼續(xù)執(zhí)行
異步執(zhí)行：一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，另外一個(gè)進(jìn)程無(wú)需等待其執(zhí)行完畢，就可以繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)有消息返回時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通知后者進(jìn)行處理，這樣可以提高執(zhí)行效率

? 舉個(gè)例子，打電話(huà)時(shí)就是同步通信，發(fā)短息時(shí)就是異步通信。

2.5 進(jìn)程的創(chuàng)建

但凡是硬件，都需要有操作系統(tǒng)去管理，只要有操作系統(tǒng)，就有進(jìn)程的概念，就需要有創(chuàng)建進(jìn)程的方式，一些操作系統(tǒng)只為一個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，比如微波爐中的控制器，一旦啟動(dòng)微波爐，所有的進(jìn)程都已經(jīng)存在。

而對(duì)于通用系統(tǒng)（跑很多應(yīng)用程序），需要有系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中創(chuàng)建或撤銷(xiāo)進(jìn)程的能力，主要分為4中形式創(chuàng)建新的進(jìn)程

• 系統(tǒng)初始化（查看進(jìn)程linux中用ps命令，windows中用任務(wù)管理器，前臺(tái)進(jìn)程負(fù)責(zé)與用戶(hù)交互，后臺(tái)運(yùn)行的進(jìn)程與用戶(hù)無(wú)關(guān)，運(yùn)行在后臺(tái)并且只在需要時(shí)才喚醒的進(jìn)程，稱(chēng)為守護(hù)進(jìn)程，如電子郵件、web頁(yè)面、新聞、打印）
• 一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)啟了子進(jìn)程（如nginx開(kāi)啟多進(jìn)程，os.fork,subprocess.Popen等）
• 用戶(hù)的交互式請(qǐng)求，而創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程（如用戶(hù)雙擊暴風(fēng)影音）
• 一個(gè)批處理作業(yè)的初始化（只在大型機(jī)的批處理系統(tǒng)中應(yīng)用）

? 無(wú)論哪一種，新進(jìn)程的創(chuàng)建都是由一個(gè)已經(jīng)存在的進(jìn)程執(zhí)行了一個(gè)用于創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用而創(chuàng)建的：

  　　1. 在UNIX中該系統(tǒng)調(diào)用是：fork，fork會(huì)創(chuàng)建一個(gè)與父進(jìn)程一模一樣的副本，二者有相同的存儲(chǔ)映像、同樣的環(huán)境字符串和同樣的打開(kāi)文件（在shell解釋器進(jìn)程中，執(zhí)行一個(gè)命令就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程）

  　　2. 在windows中該系統(tǒng)調(diào)用是：CreateProcess，CreateProcess既處理進(jìn)程的創(chuàng)建，也負(fù)責(zé)把正確的程序裝入新進(jìn)程。

關(guān)于創(chuàng)建的子進(jìn)程，UNIX和windows

1.相同的是：進(jìn)程創(chuàng)建后，父進(jìn)程和子進(jìn)程有各自不同的地址空間（多道技術(shù)要求物理層面實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間內(nèi)存的隔離），任何一個(gè)進(jìn)程的在其地址空間中的修改都不會(huì)影響到另外一個(gè)進(jìn)程。

2.不同的是：在UNIX中，子進(jìn)程的初始地址空間是父進(jìn)程的一個(gè)副本，提示：子進(jìn)程和父進(jìn)程是可以有只讀的共享內(nèi)存區(qū)的。但是對(duì)于windows系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，從一開(kāi)始父進(jìn)程與子進(jìn)程的地址空間就是不同的。

2.6 進(jìn)程的終止

1. 正常退出（自愿，如用戶(hù)點(diǎn)擊交互式頁(yè)面的叉號(hào)，或程序執(zhí)行完畢調(diào)用發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）
2. 出錯(cuò)退出（自愿，python a.py中a.py不存在）
3. 嚴(yán)重錯(cuò)誤（非自愿，執(zhí)行非法指令，如引用不存在的內(nèi)存，1/0等，可以捕捉異常，try...except...）
4. 被其他進(jìn)程殺死（非自愿，如kill -9）

2.7 進(jìn)程的層次結(jié)構(gòu)

無(wú)論UNIX還是windows，進(jìn)程只有一個(gè)父進(jìn)程，不同的是：

  　　1. 在UNIX中所有的進(jìn)程，都是以init進(jìn)程為根，組成樹(shù)形結(jié)構(gòu)。父子進(jìn)程共同組成一個(gè)進(jìn)程組，這樣，當(dāng)從鍵盤(pán)發(fā)出一個(gè)信號(hào)時(shí)，該信號(hào)被送給當(dāng)前與鍵盤(pán)相關(guān)的進(jìn)程組中的所有成員。

  　　2. 在windows中，沒(méi)有進(jìn)程層次的概念，所有的進(jìn)程都是地位相同的，唯一類(lèi)似于進(jìn)程層次的暗示，是在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，父進(jìn)程得到一個(gè)特別的令牌（**稱(chēng)為句柄**）,該句柄可以用來(lái)控制子進(jìn)程，但是父進(jìn)程有權(quán)把該句柄傳給其他子進(jìn)程，這樣就沒(méi)有層次了。

2.8 進(jìn)程的狀態(tài)

tail -f access.log |grep '404'

執(zhí)行程序tail，開(kāi)啟一個(gè)子進(jìn)程，執(zhí)行程序grep，開(kāi)啟另外一個(gè)子進(jìn)程，兩個(gè)進(jìn)程之間基于管道'|'通訊，將tail的結(jié)果作為grep的輸入。

進(jìn)程grep在等待輸入（即I/O）時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)為阻塞，此時(shí)grep命令都無(wú)法運(yùn)行

其實(shí)在兩種情況下會(huì)導(dǎo)致一個(gè)進(jìn)程在邏輯上不能運(yùn)行，

  　　1. 進(jìn)程掛起是自身原因，遇到I/O阻塞，便要讓出CPU讓其他進(jìn)程去執(zhí)行，這樣保證CPU一直在工作

  　　2. 與進(jìn)程無(wú)關(guān)，是操作系統(tǒng)層面，可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程占用時(shí)間過(guò)多，或者優(yōu)先級(jí)等原因，而調(diào)用其他的進(jìn)程去使用CPU。

因而一個(gè)進(jìn)程由三種狀態(tài)

img

2.9 進(jìn)程并發(fā)的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)程并發(fā)的實(shí)現(xiàn)在于，硬件中斷一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程，把此時(shí)進(jìn)程運(yùn)行的所有狀態(tài)保存下來(lái)，為此，操作系統(tǒng)維護(hù)一張表格，即進(jìn)程表（process table），每個(gè)進(jìn)程占用一個(gè)進(jìn)程表項(xiàng)（這些表項(xiàng)也稱(chēng)為進(jìn)程控制塊）

img

該表存放了進(jìn)程狀態(tài)的重要信息：程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、內(nèi)存分配狀況、所有打開(kāi)文件的狀態(tài)、帳號(hào)和調(diào)度信息，以及其他在進(jìn)程由運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)或阻塞態(tài)時(shí)，必須保存的信息，從而保證該進(jìn)程在再次啟動(dòng)時(shí)，就像從未被中斷過(guò)一樣。

三、線(xiàn)程

3.1-3.4（重點(diǎn)部分）

3.5-3.10（了解部分）

3.1 什么是線(xiàn)程

在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)地址空間，而且默認(rèn)就有一個(gè)控制線(xiàn)程。

線(xiàn)程顧名思義，就是一條流水線(xiàn)工作的過(guò)程，一條流水線(xiàn)必須屬于一個(gè)車(chē)間，一個(gè)車(chē)間的工作過(guò)程是一個(gè)進(jìn)程。

? 車(chē)間負(fù)責(zé)把資源整合到一起，是一個(gè)資源單位，而一個(gè)車(chē)間內(nèi)至少有一個(gè)流水線(xiàn)

? 流水線(xiàn)的工作需要電源，電源就相當(dāng)于cpu

所以，進(jìn)程只是用來(lái)把資源集中到一起（進(jìn)程只是一個(gè)資源單位，或者說(shuō)資源集合），而線(xiàn)程才是cpu上的執(zhí)行單位。

多線(xiàn)程（即多個(gè)控制線(xiàn)程）的概念是，在一個(gè)進(jìn)程中存在多個(gè)控制線(xiàn)程，多個(gè)控制線(xiàn)程共享該進(jìn)程的地址空間，相當(dāng)于一個(gè)車(chē)間內(nèi)有多條流水線(xiàn)，都共用一個(gè)車(chē)間的資源。

? 例如，北京地鐵與上海地鐵是不同的進(jìn)程，而北京地鐵里的13號(hào)線(xiàn)是一個(gè)線(xiàn)程，北京地鐵所有的線(xiàn)路共享北京地鐵所有的資源，比如所有的乘客可以被所有線(xiàn)路拉。

創(chuàng)建進(jìn)程的開(kāi)銷(xiāo)要遠(yuǎn)大于線(xiàn)程？

如果我們的軟件是一個(gè)工廠(chǎng)，該工廠(chǎng)有多條流水線(xiàn)，流水線(xiàn)工作需要電源，電源只有一個(gè)即cpu（單核cpu）

一個(gè)車(chē)間就是一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)車(chē)間至少一條流水線(xiàn)（一個(gè)進(jìn)程至少一個(gè)線(xiàn)程）

創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，就是創(chuàng)建一個(gè)車(chē)間（申請(qǐng)空間，在該空間內(nèi)建至少一條流水線(xiàn)）

而建線(xiàn)程，就只是在一個(gè)車(chē)間內(nèi)造一條流水線(xiàn)，無(wú)需申請(qǐng)空間，所以創(chuàng)建開(kāi)銷(xiāo)小

進(jìn)程之間是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，線(xiàn)程之間是協(xié)作關(guān)系？

車(chē)間直接是競(jìng)爭(zhēng)/搶電源的關(guān)系，競(jìng)爭(zhēng)（不同的進(jìn)程直接是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，是不同的程序員寫(xiě)的程序運(yùn)行的，迅雷搶占其他進(jìn)程的網(wǎng)速，360把其他進(jìn)程當(dāng)做病毒干死）
一個(gè)車(chē)間的不同流水線(xiàn)式協(xié)同工作的關(guān)系（同一個(gè)進(jìn)程的線(xiàn)程之間是合作關(guān)系，是同一個(gè)程序?qū)懙某绦騼?nèi)開(kāi)啟動(dòng)，迅雷內(nèi)的線(xiàn)程是合作關(guān)系，不會(huì)自己干自己）

3.2 為何要用多線(xiàn)程

多線(xiàn)程指的是，在一個(gè)進(jìn)程中開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程，簡(jiǎn)單的講：如果多個(gè)任務(wù)共用一塊地址空間，那么必須在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程。詳細(xì)的講分為4點(diǎn)：

1. 多線(xiàn)程共享一個(gè)進(jìn)程的地址空間

2. 線(xiàn)程比進(jìn)程更輕量級(jí)，線(xiàn)程比進(jìn)程更容易創(chuàng)建可撤銷(xiāo)，在許多操作系統(tǒng)中，創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程要快10-100倍，在有大量線(xiàn)程需要?jiǎng)討B(tài)和快速修改時(shí)，這一特性很有用

3. 若多個(gè)線(xiàn)程都是cpu密集型的，那么并不能獲得性能上的增強(qiáng)，但是如果存在大量的計(jì)算和大量的I/O處理，擁有多個(gè)線(xiàn)程允許這些活動(dòng)彼此重疊運(yùn)行，從而會(huì)加快程序執(zhí)行的速度。

4. 在多cpu系統(tǒng)中，為了最大限度的利用多核，可以開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程（比開(kāi)進(jìn)程開(kāi)銷(xiāo)要小的多）

3.3 多線(xiàn)程的應(yīng)用舉例

img

開(kāi)啟一個(gè)字處理軟件進(jìn)程，該進(jìn)程肯定需要辦不止一件事情，比如監(jiān)聽(tīng)鍵盤(pán)輸入，處理文字，定時(shí)自動(dòng)將文字保存到硬盤(pán)，這三個(gè)任務(wù)操作的都是同一塊數(shù)據(jù)，因而不能用多進(jìn)程。只能在一個(gè)進(jìn)程里并發(fā)地開(kāi)啟三個(gè)線(xiàn)程,如果是單線(xiàn)程，那就只能是，鍵盤(pán)輸入時(shí)，不能處理文字和自動(dòng)保存，自動(dòng)保存時(shí)又不能輸入和處理文字。

3.4 線(xiàn)程與進(jìn)程的區(qū)別

1. Threads share the address space of the process that created it; processes have their own address space.
2. Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data segment of the parent process.
3. Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
4. New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
5. Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
6. Changes to the main thread (cancellation, priority change, etc.) may affect the behavior of the other threads of the process; changes to the parent process does not affect child processes.

3.5 經(jīng)典的線(xiàn)程模型

多個(gè)線(xiàn)程共享同一個(gè)進(jìn)程的地址空間中的資源，是對(duì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)上多個(gè)進(jìn)程的模擬，有時(shí)也稱(chēng)線(xiàn)程為輕量級(jí)的進(jìn)程

而對(duì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)上多個(gè)進(jìn)程，則共享物理內(nèi)存、磁盤(pán)、打印機(jī)等其他物理資源。

多線(xiàn)程的運(yùn)行也多進(jìn)程的運(yùn)行類(lèi)似，是cpu在多個(gè)線(xiàn)程之間的快速切換。

img

不同的進(jìn)程之間是充滿(mǎn)敵意的，彼此是搶占、競(jìng)爭(zhēng)cpu的關(guān)系，如果迅雷會(huì)和QQ搶資源。而同一個(gè)進(jìn)程是由一個(gè)程序員的程序創(chuàng)建，所以同一進(jìn)程內(nèi)的線(xiàn)程是合作關(guān)系，一個(gè)線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)另外一個(gè)線(xiàn)程的內(nèi)存地址，大家都是共享的，一個(gè)線(xiàn)程干死了另外一個(gè)線(xiàn)程的內(nèi)存，那純屬程序員腦子有問(wèn)題。

類(lèi)似于進(jìn)程，每個(gè)線(xiàn)程也有自己的堆棧。

img

不同于進(jìn)程，線(xiàn)程庫(kù)無(wú)法利用時(shí)鐘中斷強(qiáng)制線(xiàn)程讓出CPU，可以調(diào)用thread_yield運(yùn)行線(xiàn)程自動(dòng)放棄cpu，讓另外一個(gè)線(xiàn)程運(yùn)行。

線(xiàn)程通常是有益的，但是帶來(lái)了不小程序設(shè)計(jì)難度，線(xiàn)程的問(wèn)題是：

  　　1. 父進(jìn)程有多個(gè)線(xiàn)程，那么開(kāi)啟的子線(xiàn)程是否需要同樣多的線(xiàn)程

如果是，那么附近中某個(gè)線(xiàn)程被阻塞，那么copy到子進(jìn)程后，copy版的線(xiàn)程也要被阻塞嗎，想一想nginx的多線(xiàn)程模式接收用戶(hù)連接。

  　　2. 在同一個(gè)進(jìn)程中，如果一個(gè)線(xiàn)程關(guān)閉了問(wèn)題，而另外一個(gè)線(xiàn)程正準(zhǔn)備往該文件內(nèi)寫(xiě)內(nèi)容呢？

? 如果一個(gè)線(xiàn)程注意到?jīng)]有內(nèi)存了，并開(kāi)始分配更多的內(nèi)存，在工作一半時(shí)，發(fā)生線(xiàn)程切換，新的線(xiàn)程也發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不夠用了，又開(kāi)始分配更多的內(nèi)存，這樣內(nèi)存就被分配了多次，這些問(wèn)題都是多線(xiàn)程編程的典型問(wèn)題，需要仔細(xì)思考和設(shè)計(jì)。

3.6 POSIX線(xiàn)程

? 為了實(shí)現(xiàn)可移植的線(xiàn)程程序,IEEE在IEEE標(biāo)準(zhǔn)1003.1c中定義了線(xiàn)程標(biāo)準(zhǔn)，它定義的線(xiàn)程包叫Pthread。大部分UNIX系統(tǒng)都支持該標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單介紹如下

img

3.7 在用戶(hù)空間實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)程

? 線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)可以分為兩類(lèi)：用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程(User-Level Thread)和內(nèi)核線(xiàn)線(xiàn)程(Kernel-Level Thread)，后者又稱(chēng)為內(nèi)核支持的線(xiàn)程或輕量級(jí)進(jìn)程。在多線(xiàn)程操作系統(tǒng)中，各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式并不相同，在有的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程，有的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程。

? 用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程內(nèi)核的切換由用戶(hù)態(tài)程序自己控制內(nèi)核切換,不需要內(nèi)核干涉，少了進(jìn)出內(nèi)核態(tài)的消耗，但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大體是這么做的。

img

在用戶(hù)空間模擬操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的調(diào)度，來(lái)調(diào)用一個(gè)進(jìn)程中的線(xiàn)程，每個(gè)進(jìn)程中都會(huì)有一個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，用來(lái)調(diào)度線(xiàn)程。此時(shí)當(dāng)該進(jìn)程獲取cpu時(shí)，進(jìn)程內(nèi)再調(diào)度出一個(gè)線(xiàn)程去執(zhí)行，同一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行。

3.8 在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)程

? 內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程:切換由內(nèi)核控制，當(dāng)線(xiàn)程進(jìn)行切換的時(shí)候，由用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)化為內(nèi)核態(tài)。切換完畢要從內(nèi)核態(tài)返回用戶(hù)態(tài)；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows線(xiàn)程就是這樣的。

img

3.9 用戶(hù)級(jí)與內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的對(duì)比

一： 以下是用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程和內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的區(qū)別：

1. 內(nèi)核支持線(xiàn)程是OS內(nèi)核可感知的，而用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程是OS內(nèi)核不可感知的。
2. 用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程的創(chuàng)建、撤消和調(diào)度不需要OS內(nèi)核的支持，是在語(yǔ)言（如Java）這一級(jí)處理的；而內(nèi)核支持線(xiàn)程的創(chuàng)建、撤消和調(diào)度都需OS內(nèi)核提供支持，而且與進(jìn)程的創(chuàng)建、撤消和調(diào)度大體是相同的。
3. 用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令時(shí)將導(dǎo)致其所屬進(jìn)程被中斷，而內(nèi)核支持線(xiàn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令時(shí)，只導(dǎo)致該線(xiàn)程被中斷。
4. 在只有用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程的系統(tǒng)內(nèi)，CPU調(diào)度還是以進(jìn)程為單位，處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程，由用戶(hù)程序控制線(xiàn)程的輪換運(yùn)行；在有內(nèi)核支持線(xiàn)程的系統(tǒng)內(nèi)，CPU調(diào)度則以線(xiàn)程為單位，由OS的線(xiàn)程調(diào)度程序負(fù)責(zé)線(xiàn)程的調(diào)度。
5. 用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程的程序?qū)嶓w是運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)下的程序，而內(nèi)核支持線(xiàn)程的程序?qū)嶓w則是可以運(yùn)行在任何狀態(tài)下的程序。

二： 內(nèi)核線(xiàn)程的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

? 當(dāng)有多個(gè)處理機(jī)時(shí)，一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)執(zhí)行。

缺點(diǎn)：

? 由內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度。

三： 用戶(hù)進(jìn)程的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 線(xiàn)程的調(diào)度不需要內(nèi)核直接參與，控制簡(jiǎn)單。
2. 可以在不支持線(xiàn)程的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
3. 創(chuàng)建和銷(xiāo)毀線(xiàn)程、線(xiàn)程切換代價(jià)等線(xiàn)程管理的代價(jià)比內(nèi)核線(xiàn)程少得多。
4. 允許每個(gè)進(jìn)程定制自己的調(diào)度算法，線(xiàn)程管理比較靈活。
5. 線(xiàn)程能夠利用的表空間和堆棧空間比內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程多。
6. 同一進(jìn)程中只能同時(shí)有一個(gè)線(xiàn)程在運(yùn)行，如果有一個(gè)線(xiàn)程使用了系統(tǒng)調(diào)用而阻塞，那么整個(gè)進(jìn)程都會(huì)被掛起。另外，頁(yè)面失效也會(huì)產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。

缺點(diǎn)：

1. 資源調(diào)度按照進(jìn)程進(jìn)行，多個(gè)處理機(jī)下，同一個(gè)進(jìn)程中的線(xiàn)程只能在同一個(gè)處理機(jī)下分時(shí)復(fù)用

3.10 混合實(shí)現(xiàn)

用戶(hù)級(jí)與內(nèi)核級(jí)的多路復(fù)用，內(nèi)核同一調(diào)度內(nèi)核線(xiàn)程，每個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程對(duì)應(yīng)n個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程

img