可能學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)開發(fā)的讀者都聽說過這些專業(yè)名詞，但又多少人理解了？

首先，從定義開始，先看一下教科書上進(jìn)程和線程定義：

進(jìn)程：資源分配的最小單位。

線程：程序執(zhí)行的最小單位。

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進(jìn)程

進(jìn)程是程序執(zhí)行時的一個實例，即它是程序已經(jīng)執(zhí)行到課中程度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的匯集。從內(nèi)核的觀點看，進(jìn)程的目的就是擔(dān)當(dāng)分配系統(tǒng)資源（CPU時間、內(nèi)存等）的基本單位。

舉例說明進(jìn)程：

想象一位有一手好廚藝的計算機科學(xué)家正在為他的女兒烘制生日蛋糕，他有做生日蛋糕的食譜，廚房里有所需的原料:面粉、雞蛋、糖、香草汁等。在這個比喻中，做蛋糕的食譜就是程序(即用適當(dāng)形式描述的算法)計算機科學(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、取來各種原料以及烘制蛋糕等一系列動作的總和。現(xiàn)在假設(shè)計算機科學(xué)家的兒子哭著跑了進(jìn)來，說他的頭被一只蜜蜂蟄了。計算機科學(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，按照其中的指示處理蟄傷。這里，我們看到處理機制是從一個進(jìn)程(做蛋糕)切換到另一個高優(yōu)先級的進(jìn)程(實施醫(yī)療救治)，每個進(jìn)程擁有各自的程序(食譜和急救手冊)。當(dāng)蜜蜂蟄傷處理完之后，這位計算機科學(xué)家又回來做蛋糕，從他離開時的那一步繼續(xù)做下去。

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線程

線程是CPU調(diào)度的最小單位(程序執(zhí)行流的最小單元)，它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實際運作單元。一條線程是進(jìn)程中一個單一順序的控制流，一個進(jìn)程中可以并發(fā)多個線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。

一個標(biāo)準(zhǔn)的線程有線程ID、當(dāng)前指令指針(PC),寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進(jìn)程中的一個實體，是被系統(tǒng)獨立調(diào)度和分派的基本單元，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點兒在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個線程，同一進(jìn)程中的多個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運行中呈現(xiàn)處間斷性。

線程也有就緒、阻塞和運行三種基本狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指線程具備運行的所有條件，邏輯上可以運行，在等待處理機；運行狀態(tài)是指線程占有處理機正在運行；阻塞狀態(tài)是指線程在等待一個事件(如某個信號量)，邏輯上不可執(zhí)行。每一個程序都至少有一個線程，若程序只有一個線程，那就是程序本身。

 

舉例說明線程：

假設(shè)，一個文本程序，需要接受鍵盤輸入，將內(nèi)容顯示在屏幕上，還需要保存信息到硬盤中。若只有一個進(jìn)程，勢必造成同一時間只能干一樣事的尷尬（當(dāng)保存時，就不能通過鍵盤輸入內(nèi)容）。若有多個進(jìn)程，每個進(jìn)程負(fù)責(zé)一個任務(wù)，進(jìn)程A負(fù)責(zé)接收鍵盤輸入的任務(wù)，進(jìn)程B負(fù)責(zé)將內(nèi)容顯示在屏幕上的任務(wù)，進(jìn)程C負(fù)責(zé)保存內(nèi)容到硬盤中的任務(wù)。這里進(jìn)程A，B，C間的協(xié)作涉及到了進(jìn)程通信問題，而且有共同都需要擁有的東西——-文本內(nèi)容，不停的切換造成性能上的損失。若有一種機制，可以使任務(wù)A，B，C共享資源，這樣上下文切換所需要保存和恢復(fù)的內(nèi)容就少了，同時又可以減少通信所帶來的性能損耗，那就好了。這種機制就是線程。

總的來說：進(jìn)程有獨立的地址空間，線程沒有單獨的地址空間（同一進(jìn)程內(nèi)的線程共享進(jìn)程的地址空間）。

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多進(jìn)程

進(jìn)程是程序在計算機上的一次執(zhí)行活動，當(dāng)你運行一個程序，你就啟動了一個進(jìn)程。顯然，程序是死的(靜態(tài)的)，進(jìn)程是活的(動態(tài)的)。

進(jìn)程可以分為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程，凡是用于完成操作系統(tǒng)的各種功能的進(jìn)程就是系統(tǒng)進(jìn)程，它們就是處于運行狀態(tài)下的操作系統(tǒng)本身；所有由用戶啟動的進(jìn)程都是用戶進(jìn)程。進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位。進(jìn)程又被細(xì)化為線程，也就是一個進(jìn)程下有多個能獨立運行的更小的單位。在同一個時間里，同一個計算機系統(tǒng)中如果允許兩個或兩個以上的進(jìn)程處于運行狀態(tài)，這便是多任務(wù)?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)幾乎都是多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠同時管理多個進(jìn)程的運行。

多任務(wù)帶來的好處是明顯的，比如你可以邊聽網(wǎng)易云音樂，一邊上網(wǎng)，與此同時甚至可以將下載的文檔打印出來，而這些任務(wù)之間絲毫不會相互干擾。那么這里就涉及到并行的問題，俗話說，一心不能二用，這對計算機也一樣，原則上一個CPU只能分配給一個進(jìn)程，以便運行這個進(jìn)程。我們通常使用的計算機中只有一個CPU，也就是說只有一顆心，要讓它一心多用，同時運行多個進(jìn)程，就必須使用并發(fā)技術(shù)。實現(xiàn)并發(fā)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，最容易理解的是“時間片輪轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度算法”，它的思想簡單介紹如下：在操作系統(tǒng)的管理下，所有正在運行的進(jìn)程輪流使用CPU，每個進(jìn)程允許占用CPU的時間非常短(比如10毫秒)，這樣用戶根本感覺不出來 CPU是在輪流為多個進(jìn)程服務(wù)，就好像所有的進(jìn)程都在不間斷地運行一樣。

但實際上在任何一個時間內(nèi)有且僅有一個進(jìn)程占有CPU。如果一臺計算機有多個CPU，情況就不同了，如果進(jìn)程數(shù)小于CPU數(shù)，則不同的進(jìn)程可以分配給不同的CPU來運行，這樣，多個進(jìn)程就是真正同時運行的，這便是并行。

并行處理（Parallel Processing）是計算機系統(tǒng)中能同時執(zhí)行兩個或更多個處理的一種計算方法。并行處理可同時工作于同一程序的不同方面。并行處理的主要目的是節(jié)省大型和復(fù)雜問題的解決時間。并發(fā)處理(concurrency Processing)：指一個時間段中有幾個程序都處于已啟動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理機(CPU)上運行，但任一個時刻點上只有一個程序在處理機(CPU)上運行

并發(fā)的關(guān)鍵是你有處理多個任務(wù)的能力，不一定要同時。并行的關(guān)鍵是你有同時處理多個任務(wù)的能力。所以說，并行是并發(fā)的子集。

 

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多線程

線程是程序中一個單一的順序控制流程。進(jìn)程內(nèi)一個相對獨立的、可調(diào)度的執(zhí)行單元，是系統(tǒng)獨立調(diào)度和分派CPU的基本單元。在單一程序中同時運行多個想成完成不同的工作，稱為多線程。

多線程是為了使得多個線程并行的工作以完成多項任務(wù)，以提高系統(tǒng)的效率。線程是在同一時間需要完成多項任務(wù)的時候被實現(xiàn)的。

打個比方：

多進(jìn)程是立體交通系統(tǒng)（近似于立交橋），雖然造價高，上坡下坡多耗點油，但是不堵車。

多線程是平面交通系統(tǒng)，造價低，但紅綠燈太多，老堵車。

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線程與進(jìn)程的關(guān)系

（1）一個線程只能屬于一個進(jìn)程，而一個進(jìn)程可以有多個線程，但至少有一個線程；

（2）資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程內(nèi)的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源；

（3）線程在執(zhí)行過程中需要協(xié)作同步。不同進(jìn)程中的線程之間要利用消息通信的方法實現(xiàn)同步；

（4）處理機分配給線程，即真正在處理機上運行的是線程；

（5）線程是進(jìn)程的一個執(zhí)行單元，也是進(jìn)程內(nèi)的可調(diào)用實體。

 

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線程和進(jìn)程的區(qū)別

（1）線程共享內(nèi)存空間；進(jìn)程的內(nèi)存是獨立的；

（2）同一個進(jìn)程的線程之間可以直接交流；兩個進(jìn)程想通信，必須通過一個中間代理來實現(xiàn)；

（3）創(chuàng)建新進(jìn)程很簡單；創(chuàng)建新進(jìn)程需要對其父進(jìn)程進(jìn)行一個克?。?/span>

（4）一個線程可以控制和操作同一進(jìn)程里的其他線程；但是進(jìn)程只能操作子進(jìn)程；

（5）改變注線程(如優(yōu)先權(quán))，可能會影響其他線程；改變父進(jìn)程，不影響子進(jìn)程。

（6）調(diào)度：線程作為分配和調(diào)度的基本單位，進(jìn)程作為擁有資源的基本單位

（7）并發(fā)性：不進(jìn)進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，同一進(jìn)程內(nèi)的線程也可以并發(fā)執(zhí)行

（8）擁有資源：進(jìn)程是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統(tǒng)資源，但是可以訪問隸屬于進(jìn)程的系統(tǒng)資源

（9）系統(tǒng)開銷：在創(chuàng)建和撤銷進(jìn)程的時候，系統(tǒng)都要分配和回收資源，導(dǎo)致系統(tǒng)的明顯大于創(chuàng)建和撤銷線程時的開銷。但進(jìn)程有獨立的地址空間，進(jìn)程崩潰后，在保護(hù)模式的下不會對其他進(jìn)程造成影響，而線程只是進(jìn)程中的不同執(zhí)行路徑。線程有自己的堆棧和局部變量，但線程之間沒有獨立的地址空間，一個線程死后就等于整個進(jìn)程死掉，所以多進(jìn)程程序要比多線程程序健壯，但是在進(jìn)程切換的時候消耗的資源較大，效率差。

根本區(qū)別就一點：用多進(jìn)程每個進(jìn)程有自己的地址空間(address space)，線程則共享地址空間。

總結(jié)：多線程執(zhí)行效率高;  多進(jìn)程耗資源，安全。

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進(jìn)程的優(yōu)缺點

7.1 進(jìn)程的優(yōu)點

1）順序程序的特點：具有封閉性和可再現(xiàn)性；

2）程序的并發(fā)執(zhí)行和資源共享。多道程序設(shè)計出現(xiàn)后，實現(xiàn)了程序的并發(fā)執(zhí)行和資源共享，提高了系統(tǒng)的效率和系統(tǒng)的資源利用率。

 

7.2 進(jìn)程的缺點

操作系統(tǒng)調(diào)度切換多個線程要比切換調(diào)度進(jìn)程在速度上快的多。而且進(jìn)程間內(nèi)存無法共享，通訊也比較麻煩。線程之間由于共享進(jìn)程內(nèi)存空間，所以交換數(shù)據(jù)非常方便；在創(chuàng)建或撤消進(jìn)程時，由于系統(tǒng)都要為之分配和回收資源，導(dǎo)致系統(tǒng)的開銷明顯大于創(chuàng)建或撤消線程時的開銷。 

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線程的優(yōu)缺點

8.1 線程的優(yōu)點

1）它是一種非常'節(jié)儉'的多任務(wù)操作方式。在Linux系統(tǒng)下，啟動一個新的進(jìn)程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼 段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種'昂貴'的多任務(wù)工作方式。而運行于一個進(jìn)程中的多個線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動一個線程 所花費的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動一個進(jìn)程所花費的空間，而且，線程間彼此切換所需的時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時間。當(dāng)然，在具體的系統(tǒng)上，這個數(shù)據(jù)可能 會有較大的區(qū)別；

2）線程間方便的通信機制，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便；

3）使多CPU系統(tǒng)更加有效。操作系統(tǒng)會保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時，不同的線程運行于不同的CPU上；

4）改善程序結(jié)構(gòu)。一個既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個線程，成為幾個獨立或半獨立的運行部分，這樣的程序會利于理解和修改。

 

8.2 線程的缺點

1）調(diào)度時， 要保存線程狀態(tài)，頻繁調(diào)度，需要占用大量的機時；

2）程序設(shè)計上容易出錯（線程同步問題）。

 

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多線程的優(yōu)缺點

9.1 多線程的優(yōu)點

1）無需跨進(jìn)程邊界；程序邏輯和控制方式簡單；

2）所有線程可以直接共享內(nèi)存和變量等；

3）線程方式消耗的總資源比進(jìn)程方式好。

 

9.2 多線程的缺點

1）每個線程與主程序共用地址空間，受限于2GB地址空間；

2）線程之間的同步和加鎖控制比較麻煩；一個線程的崩潰可能影響到整個程序的穩(wěn)定性；

3）到達(dá)一定的線程數(shù)程度后，即使再增加CPU也無法提高性能，例如Windows Server 2003，大約是1500個左右的線程數(shù)就快到極限了（線程堆棧設(shè)定為1M），如果設(shè)定線程堆棧為2M，還達(dá)不到1500個線程總數(shù)；

4）線程能夠提高的總性能有限，而且線程多了之后，線程本身的調(diào)度也是一個麻煩事兒，需要消耗較多的CPU 。

 

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多進(jìn)程的優(yōu)缺點

10.1 多進(jìn)程的優(yōu)點

1）每個進(jìn)程互相獨立，不影響主程序的穩(wěn)定性，子進(jìn)程崩潰沒關(guān)系；

2）通過增加CPU，就可以容易擴充性能；

3）可以盡量減少線程加鎖/解鎖的影響，極大提高性能，就算是線程運行的模塊算法效率低也沒關(guān)系；

4）每個子進(jìn)程都有2GB地址空間和相關(guān)資源，總體能夠達(dá)到的性能上限非常大。

 

10.2 多進(jìn)程的缺點

1）邏輯控制復(fù)雜，需要和主程序交互；

2）需要跨進(jìn)程邊界，如果有大數(shù)據(jù)量傳送，就不太好，適合小數(shù)據(jù)量傳送、密集運算 多進(jìn)程調(diào)度開銷比較大。

 

總結(jié)：最好是多進(jìn)程和多線程結(jié)合，即根據(jù)實際的需要，每個CPU開啟一個子進(jìn)程，這個子進(jìn)程開啟多線程可以為若干同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)然你也可以利用多線程+CPU+輪詢方式來解決問題……方法和手段是多樣的，關(guān)鍵是自己看起來實現(xiàn)方便有能夠滿足要求，代價也合適。

 

按照多個不同的維度（類別），來看看多線程和多進(jìn)程的對比（注：因為是感性的比較，因此都是相對的，不是說一個好得不得了，另外一個差的無法忍受）。

其實沒有絕對的好與壞，只有哪個更加合適的問題。我們來看實際應(yīng)用中究竟如何判斷更加合適。

1）需要頻繁創(chuàng)建銷毀的優(yōu)先用線程

這種原則最常見的應(yīng)用就是Web服務(wù)器了，來一個連接建立一個線程，斷了就銷毀線程，要是用進(jìn)程，創(chuàng)建和銷毀的代價是很難承受的

 

2）需要進(jìn)行大量計算的優(yōu)先使用線程

所謂大量計算，當(dāng)然就是要耗費很多CPU，切換頻繁了，這種情況下線程是最合適的。這種原則最常見的是圖像處理、算法處理。

 

3）強相關(guān)的處理用線程，弱相關(guān)的處理用進(jìn)程

什么叫強相關(guān)、弱相關(guān)？理論上很難定義，給個簡單的例子就明白了。

一般的Server需要完成如下任務(wù)：消息收發(fā)、消息處理。“消息收發(fā)”和“消息處理”就是弱相關(guān)的任務(wù)，而“消息處理”里面可能又分為“消息解碼”、“業(yè)務(wù)處理”，這兩個任務(wù)相對來說相關(guān)性就要強多了。因此“消息收發(fā)”和“消息處理”可以分進(jìn)程設(shè)計，“消息解碼”、“業(yè)務(wù)處理”可以分線程設(shè)計。當(dāng)然這種劃分方式不是一成不變的，也可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

 

4）可能要擴展到多機分布的用進(jìn)程，多核分布的用線程

 

5）都滿足需求的情況下，用你最熟悉、最拿手的方式

至于“數(shù)據(jù)共享、同步”、“編程、調(diào)試”、“可靠性”這幾個維度的所謂的“復(fù)雜、簡單”應(yīng)該怎么取舍，我只能說：沒有明確的選擇方法。但我可以告訴你一個選擇原則：如果多進(jìn)程和多線程都能夠滿足要求，那么選擇你最熟悉、最拿手的那個。需要提醒的是：雖然我給了這么多的選擇原則，但實際應(yīng)用中基本上都是“進(jìn)程+線程”的結(jié)合方式，千萬不要真的陷入一種非此即彼的誤區(qū)。

 

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多任務(wù)(多進(jìn)程)

現(xiàn)代操作系統(tǒng)比如Mac OS X，UNIX，Linux，Windows等，都是支持“多任務(wù)”的操作系統(tǒng)。

什么叫“多任務(wù)”呢？簡單地說，就是操作系統(tǒng)可以同時運行多個任務(wù)。打個比方，你一邊在用瀏覽器上網(wǎng)，一邊在聽MP3，一邊在用Word寫論文，這就是多任務(wù)，至少同時有3個任務(wù)正在運行。還有很多任務(wù)悄悄地在后臺同時運行著，只是桌面上沒有顯示而已。

現(xiàn)在，多核CPU已經(jīng)非常普及了，但是，即使過去的單核CPU，也可以執(zhí)行多任務(wù)。由于CPU執(zhí)行代碼都是順序執(zhí)行的，那么，單核CPU是怎么執(zhí)行多任務(wù)的呢？

其實操作系統(tǒng)輪流讓各個任務(wù)交替執(zhí)行，任務(wù)1執(zhí)行0.01秒，切換到任務(wù)2，任務(wù)2執(zhí)行0.01秒，再切換到任務(wù)3，執(zhí)行0.01秒……這樣反復(fù)執(zhí)行下去。表面上看，每個任務(wù)都是交替執(zhí)行的，但是，由于CPU的執(zhí)行速度實在是太快了，我們感覺就像所有任務(wù)都在同時執(zhí)行一樣。

真正的并行執(zhí)行多任務(wù)只能在多核CPU上實現(xiàn)，但是，由于任務(wù)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于CPU的核心數(shù)量，所以，操作系統(tǒng)也會自動把很多任務(wù)輪流調(diào)度到每個核心上執(zhí)行。

對于操作系統(tǒng)來說，一個任務(wù)就是一個進(jìn)程（Process），比如打開一個瀏覽器就是啟動一個瀏覽器進(jìn)程，打開一個記事本就啟動了一個記事本進(jìn)程，打開兩個記事本就啟動了兩個記事本進(jìn)程，打開一個Word就啟動了一個Word進(jìn)程。

有些進(jìn)程還不止同時干一件事，比如Word，它可以同時進(jìn)行打字、拼寫檢查、打印等事情。在一個進(jìn)程內(nèi)部，要同時干多件事，就需要同時運行多個“子任務(wù)”，我們把進(jìn)程內(nèi)的這些 “子任務(wù)” 稱為線程（Thread）。

由于每個進(jìn)程至少要干一件事，所以，一個進(jìn)程至少有一個線程。當(dāng)然，像Word這種復(fù)雜的進(jìn)程可以有多個線程，多個線程可以同時執(zhí)行，多線程的執(zhí)行方式和多進(jìn)程是一樣的，也是由操作系統(tǒng)在多個線程之間快速切換，讓每個線程都短暫地交替運行，看起來就像同時執(zhí)行一樣。當(dāng)然，真正地同時執(zhí)行多線程需要多核CPU才可能實現(xiàn)。

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