什么是进程
进程是程序的一次执行过程,是一个动态概念,是程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位,每一个进程都有一个自己的地址空间,至少有 5 种基本状态:初始态,执行态,等待状态,就绪状态,终止状态。
什么是线程
线程是CPU调度和分派的基本单位,它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。
进程和线程之间的联系
线程是进程的一部分,一个线程只能属于一个进程,而一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程。
进程和线程之间的区别
理解它们的差别,我从资源使用的角度出发。(所谓的资源就是计算机里的中央处理器,内存,文件,网络等等)
根本区别:进程是操作系统资源分配的基本单位,而线程是任务调度和执行的基本单位。
在开销方面:每个进程都有独立的代码和数据空间(程序上下文),程序之间的切换会有较大的开销;线程可以看做轻量级的进程,同一类线程共享代码和数据空间,每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器(PC),线程之间切换的开销小。
所处环境:在操作系统中能同时运行多个进程(程序);而在同一个进程(程序)中有多个线程同时执行(通过CPU调度,在每个时间片中只有一个线程执行)
内存分配方面:系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间;而对线程而言,除了CPU外,系统不会为线程分配内存(线程所使用的资源来自其所属进程的资源),线程组之间只能共享资源。
包含关系:没有线程的进程可以看做是单线程的,如果一个进程内有多个线程,则执行过程不是一条线的,而是多条线(线程)共同完成的;线程是进程的一部分,所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
为什么进程切换慢,线程切换快?
虚拟内存是操作系统为每个进程提供的一种抽象,每个进程都有属于自己的、私有的、地址连续的虚拟内存,最终进程的数据及代码必然要放到物理内存上,那么必须有某种机制能记住虚拟地址空间中的某个数据被放到了哪个物理内存地址上,这就是所谓的地址空间映射,也就是虚拟内存地址与物理内存地址的映射关系。
那么操作系统是如何记住这种映射关系的呢,答案就是页表,页表中记录了虚拟内存地址到物理内存地址的映射关系。有了页表就可以将虚拟地址转换为物理内存地址了,这种机制就是虚拟内存。
每个进程都有自己的虚拟地址空间,进程内的所有线程共享进程的虚拟地址空间。进程切换与线程切换的一个最主要区别就在于进程切换涉及到虚拟地址空间的切换而线程切换则不会。因为每个进程都有自己的虚拟地址空间,而线程是共享所在进程的虚拟地址空间的,因此同一个进程中的线程进行线程切换时不涉及虚拟地址空间的转换。
为什么虚拟地址空间切换会比较耗时呢?
进程都有自己的虚拟地址空间,把虚拟地址转换为物理地址需要查找页表,页表查找是一个很慢的过程,因此通常使用 cache 来缓存常用的地址映射,这样可以加速页表查找,这个 cache 就是快表 (TLB, Translation Lookaside Buffer),我们不需要关心这个名字只需要知道 TLB 本质上就是一个 cache ,是用来加速页表查找的。由于每个进程都有自己的虚拟地址空间,那么显然每个进程都有自己的页表,那么当进程切换后页表也要进行切换,页表切换后 TLB 就失效了,cache 失效导致命中率降低,那么虚拟地址转换为物理地址就会变慢,表现出来的就是程序运行会变慢,而线程切换则不会导致 TLB 失效,因为线程线程无需切换地址空间,因此我们通常说线程切换要比较进程切换块,原因就在这里。
为什么有了进程,还要有线程?
进程可以使多个程序并发执行,以提高资源的利用率和系统的吞吐量,但是其带来了一些缺点:
- 进程在同一时间只能干一件事情;
- 进程在执行的过程中如果阻塞,整个进程就会被挂起,即使进程中有些工作不依赖与等待的资源,仍然不会执行。
基于以上的缺点,操作系统引入了比进程粒度更小的线程,作为并发执行的基本单位,从而减少程序在并发执行时所付出的时间和空间开销,提高并发性能。