以操作系統(tǒng)的角度述說(shuō)線程與進(jìn)程

作者: luoweifu 發(fā)布時(shí)間: 2017-11-29 17:17 原文鏈接

什么是線程

什么是線程娱仔？線程與進(jìn)程有什么關(guān)系？這是一個(gè)非常抽象的問(wèn)題匿乃，也是一個(gè)特別廣的話題，涉及到非常多的知識(shí)休吠。我不能確保能把它講得好，也不能確保講的內(nèi)容全部都正確业簿。即使這樣瘤礁，我也希望盡可能地把它講通俗一點(diǎn)，講得明白一點(diǎn)梅尤，因?yàn)檫@是個(gè)一直困擾我很久的柜思，撲朔迷離的知識(shí)領(lǐng)域，希望通過(guò)我的理解揭開它一層一層神秘的面紗巷燥。

任務(wù)調(diào)度

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圖1：操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度

進(jìn)程

我們都知道計(jì)算機(jī)的核心是CPU，它承擔(dān)了所有的計(jì)算任務(wù)抄肖；而操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的管理者久信，它負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度、資源的分配和管理漓摩，統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件裙士；應(yīng)用程序則是具有某種功能的程序，程序是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的管毙。

進(jìn)程是一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集上的一次動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過(guò)程腿椎，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位，是應(yīng)用程序運(yùn)行的載體夭咬。進(jìn)程是一種抽象的概念啃炸，從來(lái)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。進(jìn)程一般由程序卓舵、數(shù)據(jù)集合和進(jìn)程控制塊三部分組成南用。程序用于描述進(jìn)程要完成的功能，是控制進(jìn)程執(zhí)行的指令集掏湾；數(shù)據(jù)集合是程序在執(zhí)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)和工作區(qū)裹虫；程序控制塊(Program Control Block，簡(jiǎn)稱PCB)融击，包含進(jìn)程的描述信息和控制信息筑公，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。

進(jìn)程具有的特征：

動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程尊浪，是臨時(shí)的匣屡，有生命期的，是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生拇涤，動(dòng)態(tài)消亡的耸采；

并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以同其他進(jìn)程一起并發(fā)執(zhí)行；

獨(dú)立性：進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位工育；

結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程由程序虾宇、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三部分組成。

線程

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念如绸，進(jìn)程是能擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的最小單位嘱朽，也是程序執(zhí)行的最小單位。任務(wù)調(diào)度采用的是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式怔接，而進(jìn)程是任務(wù)調(diào)度的最小單位搪泳，每個(gè)進(jìn)程有各自獨(dú)立的一塊內(nèi)存，使得各個(gè)進(jìn)程之間內(nèi)存地址相互隔離扼脐。

后來(lái)岸军，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展奋刽，對(duì)CPU的要求越來(lái)越高，進(jìn)程之間的切換開銷較大艰赞，已經(jīng)無(wú)法滿足越來(lái)越復(fù)雜的程序的要求了佣谐。于是就發(fā)明了線程，線程是程序執(zhí)行中一個(gè)單一的順序控制流程方妖，是程序執(zhí)行流的最小單元狭魂，是處理器調(diào)度和分派的基本單位。一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或多個(gè)線程党觅，各個(gè)線程之間共享程序的內(nèi)存空間(也就是所在進(jìn)程的內(nèi)存空間)雌澄。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID、當(dāng)前指令指針(PC)杯瞻、寄存器和堆棧組成镐牺。而進(jìn)程由內(nèi)存空間(代碼、數(shù)據(jù)魁莉、進(jìn)程空間睬涧、打開的文件)和一個(gè)或多個(gè)線程組成。

進(jìn)程與線程的區(qū)別

前面講了進(jìn)程與線程沛厨，但可能你還覺得迷糊宙地，感覺他們很類似摔认。的確逆皮，進(jìn)程與線程有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，下面就讓我們一起來(lái)理一理：

1. 線程是程序執(zhí)行的最小單位参袱，而進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位电谣；

2. 一個(gè)進(jìn)程由一個(gè)或多個(gè)線程組成，線程是一個(gè)進(jìn)程中代碼的不同執(zhí)行路線抹蚀；

3. 進(jìn)程之間相互獨(dú)立剿牺，但同一進(jìn)程下的各個(gè)線程之間共享程序的內(nèi)存空間(包括代碼段、數(shù)據(jù)集环壤、堆等)及一些進(jìn)程級(jí)的資源(如打開文件和信號(hào))晒来，某進(jìn)程內(nèi)的線程在其它進(jìn)程不可見；

4. 調(diào)度和切換：線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換要快得多郑现。

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圖3：?jiǎn)尉€程與多線程的關(guān)系

總之湃崩，線程和進(jìn)程都是一種抽象的概念，線程是一種比進(jìn)程更小的抽象接箫，線程和進(jìn)程都可用于實(shí)現(xiàn)并發(fā)攒读。

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進(jìn)程是能擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的最小單位辛友，也是程序執(zhí)行的最小單位薄扁。它相當(dāng)于一個(gè)進(jìn)程里只有一個(gè)線程，進(jìn)程本身就是線程从橘。所以線程有時(shí)被稱為輕量級(jí)進(jìn)程(Lightweight Process定踱，LWP）蹦锋。

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圖4：早期的操作系統(tǒng)只有進(jìn)程霍衫，沒有線程

后來(lái)董栽，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展椅野，對(duì)多個(gè)任務(wù)之間上下文切換的效率要求越來(lái)越高鸣峭，就抽象出一個(gè)更小的概念——線程盆犁，一般一個(gè)進(jìn)程會(huì)有多個(gè)(也可是一個(gè))線程殿遂。

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圖5：線程的出現(xiàn)诈铛，使得一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程

多線程與多核

上面提到的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度方式說(shuō)一個(gè)任務(wù)執(zhí)行一小段時(shí)間后強(qiáng)制暫停去執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)輪流執(zhí)行墨礁。很多操作系統(tǒng)的書都說(shuō)“同一時(shí)間點(diǎn)只有一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行”幢竹。那有人可能就要問(wèn)雙核處理器呢？難道兩個(gè)核不是同時(shí)運(yùn)行嗎恩静？

其實(shí)“同一時(shí)間點(diǎn)只有一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行”這句話是不準(zhǔn)確的焕毫，至少它是不全面的。那多核處理器的情況下驶乾，線程是怎樣執(zhí)行呢邑飒？這就需要了解內(nèi)核線程。

多核(心)處理器是指在一個(gè)處理器上集成多個(gè)運(yùn)算核心從而提高計(jì)算能力级乐，也就是有多個(gè)真正并行計(jì)算的處理核心疙咸，每一個(gè)處理核心對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程。內(nèi)核線程（Kernel Thread风科，KLT）就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程撒轮，這種線程由內(nèi)核來(lái)完成線程切換，內(nèi)核通過(guò)操作調(diào)度器對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度贼穆，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上题山。一般一個(gè)處理核心對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程，比如單核處理器對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程故痊，雙核處理器對(duì)應(yīng)兩個(gè)內(nèi)核線程顶瞳，四核處理器對(duì)應(yīng)四個(gè)內(nèi)核線程。

現(xiàn)在的電腦一般是雙核四線程愕秫、四核八線程慨菱，是采用超線程技術(shù)將一個(gè)物理處理核心模擬成兩個(gè)邏輯處理核心，對(duì)應(yīng)兩個(gè)內(nèi)核線程豫领，所以在操作系統(tǒng)中看到的CPU數(shù)量是實(shí)際物理CPU數(shù)量的兩倍抡柿，如你的電腦是雙核四線程，打開“任務(wù)管理器\性能”可以看到4個(gè)CPU的監(jiān)視器等恐，四核八線程可以看到8個(gè)CPU的監(jiān)視器洲劣。

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圖6：雙核四線程在Windows8下查看的結(jié)果

超線程技術(shù)就是利用特殊的硬件指令备蚓，把一個(gè)物理芯片模擬成兩個(gè)邏輯處理核心，讓單個(gè)處理器都能使用線程級(jí)并行計(jì)算囱稽，進(jìn)而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件郊尝，減少了CPU的閑置時(shí)間，提高的CPU的運(yùn)行效率战惊。這種超線程技術(shù)(如雙核四線程)由處理器硬件的決定流昏，同時(shí)也需要操作系統(tǒng)的支持才能在計(jì)算機(jī)中表現(xiàn)出來(lái)。

程序一般不會(huì)直接去使用內(nèi)核線程吞获，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口——輕量級(jí)進(jìn)程（Lightweight Process况凉，LWP），輕量級(jí)進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程(我們?cè)谶@稱它為用戶線程)各拷，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持刁绒，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級(jí)進(jìn)程烤黍。用戶線程與內(nèi)核線程的對(duì)應(yīng)關(guān)系有三種模型：一對(duì)一模型知市、多對(duì)一模型、多對(duì)多模型速蕊，在這以4個(gè)內(nèi)核線程嫂丙、3個(gè)用戶線程為例對(duì)三種模型進(jìn)行說(shuō)明。

一對(duì)一模型

對(duì)于一對(duì)一模型來(lái)說(shuō)规哲，一個(gè)用戶線程就唯一地對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程(反過(guò)來(lái)不一定成立跟啤，一個(gè)內(nèi)核線程不一定有對(duì)應(yīng)的用戶線程)。這樣媳叨，如果CPU沒有采用超線程技術(shù)(如四核四線程的計(jì)算機(jī))腥光，一個(gè)用戶線程就唯一地映射到一個(gè)物理CPU的線程关顷，線程之間的并發(fā)是真正的并發(fā)糊秆。一對(duì)一模型使用戶線程具有與內(nèi)核線程一樣的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)線程因某種原因阻塞時(shí)其他線程的執(zhí)行不受影響议双；此處痘番，一對(duì)一模型也可以讓多線程程序在多處理器的系統(tǒng)上有更好的表現(xiàn)。

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圖7：一對(duì)一模型

多對(duì)一模型

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圖8：多對(duì)一模型

多對(duì)多模型

多對(duì)多模型結(jié)合了一對(duì)一模型和多對(duì)一模型的優(yōu)點(diǎn)蒋失，將多個(gè)用戶線程映射到多個(gè)內(nèi)核線程上。多對(duì)多模型的優(yōu)點(diǎn)有：1. 一個(gè)用戶線程的阻塞不會(huì)導(dǎo)致所有線程的阻塞桐玻，因?yàn)榇藭r(shí)還有別的內(nèi)核線程被調(diào)度來(lái)執(zhí)行高镐；2. 多對(duì)多模型對(duì)用戶線程的數(shù)量沒有限制；3. 在多處理器的操作系統(tǒng)中畸冲，多對(duì)多模型的線程也能得到一定的性能提升嫉髓，但提升的幅度不如一對(duì)一模型的高。

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圖9：多對(duì)多模型

查看進(jìn)程與線程

一個(gè)應(yīng)用程序可能是多線程的，也可能是多進(jìn)程的苫耸，如何查看呢州邢？在Windows下我們只須打開任務(wù)管理器就能查看一個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程和線程數(shù)。按“Ctrl+Alt+Del”或右鍵快捷工具欄打開任務(wù)管理器褪子。

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圖10：查看線程數(shù)和進(jìn)程數(shù)

在“進(jìn)程”選項(xiàng)卡下量淌，我們可以看到一個(gè)應(yīng)用程序包含的線程數(shù)。如果一個(gè)應(yīng)用程序有多個(gè)進(jìn)程嫌褪，我們能看到每一個(gè)進(jìn)程呀枢，如在上圖中，Google的Chrome瀏覽器就有多個(gè)進(jìn)程笼痛。同時(shí)裙秋，如果打開了一個(gè)應(yīng)用程序的多個(gè)實(shí)例也會(huì)有多個(gè)進(jìn)程，如上圖中我打開了兩個(gè)cmd窗口缨伊，就有兩個(gè)cmd進(jìn)程摘刑。如果看不到線程數(shù)這一列，可以再點(diǎn)擊“查看\選擇列”菜單刻坊，增加監(jiān)聽的列枷恕。

查看CPU和內(nèi)存的使用率：

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圖11：查看CPU和內(nèi)存的使用率

線程的生命周期

當(dāng)線程的數(shù)量小于處理器的數(shù)量時(shí)，線程的并發(fā)是真正的并發(fā)蛹锰，不同的線程運(yùn)行在不同的處理器上深胳。但當(dāng)線程的數(shù)量大于處理器的數(shù)量時(shí)，線程的并發(fā)會(huì)受到一些阻礙铜犬，此時(shí)并不是真正的并發(fā)舞终，因?yàn)榇藭r(shí)至少有一個(gè)處理器會(huì)運(yùn)行多個(gè)線程。

在單個(gè)處理器運(yùn)行多個(gè)線程時(shí)癣猾，并發(fā)是一種模擬出來(lái)的狀態(tài)敛劝。操作系統(tǒng)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式輪流執(zhí)行每一個(gè)線程。現(xiàn)在纷宇，幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)采用的都是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式夸盟，如我們熟悉的Unix、Linux像捶、Windows及macOS等流行的操作系統(tǒng)上陕。

我們知道線程是程序執(zhí)行的最小單位，也是任務(wù)執(zhí)行的最小單位拓春。在早期只有進(jìn)程的操作系統(tǒng)中释簿，進(jìn)程有五種狀態(tài)，創(chuàng)建硼莽、就緒庶溶、運(yùn)行、阻塞(等待)懂鸵、退出偏螺。早期的進(jìn)程相當(dāng)于現(xiàn)在的只有單個(gè)線程的進(jìn)程，那么現(xiàn)在的多線程也有五種狀態(tài)匆光，現(xiàn)在的多線程的生命周期與早期進(jìn)程的生命周期類似套像。

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圖12：早期進(jìn)程的生命周期

進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程有三種狀態(tài)：就緒、運(yùn)行殴穴、阻塞凉夯，創(chuàng)建和退出狀態(tài)描述的是進(jìn)程的創(chuàng)建過(guò)程和退出過(guò)程货葬。

創(chuàng)建：進(jìn)程正在創(chuàng)建采幌，還不能運(yùn)行。操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)要進(jìn)行的工作包括分配和建立進(jìn)程控制塊表項(xiàng)震桶、建立資源表格并分配資源休傍、加載程序并建立地址空間；

就緒：時(shí)間片已用完蹲姐，此線程被強(qiáng)制暫停磨取，等待下一個(gè)屬于它的時(shí)間片到來(lái)人柿；

運(yùn)行：此線程正在執(zhí)行，正在占用時(shí)間片忙厌；

阻塞：也叫等待狀態(tài)凫岖，等待某一事件(如IO或另一個(gè)線程)執(zhí)行完；

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圖13：線程的生命周期

創(chuàng)建：一個(gè)新的線程被創(chuàng)建爹土，等待該線程被調(diào)用執(zhí)行甥雕；

就緒：時(shí)間片已用完，此線程被強(qiáng)制暫停胀茵，等待下一個(gè)屬于它的時(shí)間片到來(lái)社露；

運(yùn)行：此線程正在執(zhí)行，正在占用時(shí)間片琼娘；

阻塞：也叫等待狀態(tài)峭弟，等待某一事件(如IO或另一個(gè)線程)執(zhí)行完；

退出：一個(gè)線程完成任務(wù)或者其他終止條件發(fā)生脱拼，該線程終止進(jìn)入退出狀態(tài)孟害，退出狀態(tài)釋放該線程所分配的資源。