浅谈线程和进程-白红宇

浅谈线程和进程

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发布时间：2019-05-23

本文共 3480 字，大约阅读时间需要 11 分钟。

线程和进程是程序员老生常谈的问题了，任何阶段的程序员都不敢轻视他。

事实上大部分程序员并没有系统化的学习过，也有很多人并没有机会好好运用它。所以，如果拉一个工作多年的程序员讨论，对方未必能说出个所以然。

本文是 Linux 下 C++ 多线程编程开发的系列文章之首，在介绍具体编程实现而言，先讲讲它的基础概念，并给予通俗化的解释，并在文章最后给出一个开放的思考题。

什么是线程？

线程（英语：thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。1

上面的定义来自于百度百科，定义的很准确，但同时也很抽象。

线程可一看作是轻量级的进程，它依赖于进程。

所以，搞清楚线程前，我们先来看看进程是什么。

什么是进程？

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。2

上面的定义同样来自于百度百科，定义非常准确，但同时也非常抽象。

所以，为了很好的搞明白线程和进程，我尝试用一些通俗的比喻来解释。

我们把整个计算机比喻成一个公司，公司由一些基本的单元组成：

软硬件设备资源部门员工制度流程

公司要正常运作，依赖于制度流程。

制度流程可以等同于什么呢？

操作系统

正因为规章制度流程的存在，公司的软硬件、设备资源可以协调给每一个部门。

如果公司十分庞大，组织复杂，那么部门就是最基础的单元。

也就是说

进程可以看做是部门

部门依法使用公司规定的软硬件资源，进程在操作系统的只能也是类似。

上面的定义中有讲到，现代操作系统中，进程是一个容器。

在这里插入图片描述

每个进程拥有自己的独立空间，相互间不干扰。

这个好理解，现实中，每个部门有自己的软硬件和员工，一般情况下相互不干涉。

那么线程呢？

进程和线程有什么区别？

线程依赖于进程，而不能独立存在。

线程是最基本的执行单元，对比现实生活就是是部门中的员工。

仔细体会一下。

部门提供资源，员工干活。

进程提供资源，线程干活。

但如果公司有重大决定，它一般不会直接针对个人，而是下发到部门，控制部门这一层就好了。

如果操作系统根据事情轻重缓急，它也会直接和进程交涉，进程受它的调度。

一个进程一般有一个或者多个线程。

同一个进程中的线程可以共享进程的数据。

但同时，其实线程也有自己的内存模型。

线程开发中可以利用 TLS(Thread-Local Storage,线程局部存储)来实现线程独有的内存数据不被同一个进程其它线程干扰，每一个线程维护一份共享变量的拷贝，所以基于拷贝上的操作不会影响其它线程。

那么，线程和进程有什么区别呢？

进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。

这是一句名言，很好地概括了两者的区别。

用一句话来概括就是：

进程对应操作系统，线程对应 CPU。

我们常说的任务调度，其实通常讲 CPU 通过时间片轮转，调度线程。

也并不是说进程不能调度，是说线程更轻量化。

如果要了解更深入的话，可以带入到下一个问题。

什么时候用线程和进程？

我们用线程，提起的很多的就是多线程。

多线程的目的就是并行开发。

大家讲多线程的时候，总喜欢讲车站买票的例子。

窗口：@-@-@-@-@-@-@-@-@-@

现在有 10 个人买票。

如果这个工作效率很低，那么我们可以这样：

窗口：@-@-@-@-

窗口：@-@-

窗口：@-@-@-@-

增加类似的窗口，提供并行服务。

并行的目的是为了加速。

多线程开发也是基于上面 2 个原因：

并行加速

并行就是，我要一边听歌，一边写文章。

加速就是，下载一个文件单线程太慢了，多个线程一起下载就能加速。

那是不是线程越多越好呢？

答案是否定的。

多线程能干的事情多进程也能干。

但两者都不是越多越好。

这涉及到上下文切换的问题。

上下文切换

上下文的英文单词是 Context。搞 Android 和 Java Web 开发的应该再熟悉不过了，它代表的是任务的同一语境。

上下文切换就是任务切换，可能是进程的切换也可能是线程的切换。

上下文的切换是一个很深的话题，我们大可不必在此过多讨论，我们可以简单看待：

上下文的切换就是任务状态的保存与恢复。

当 CPU 挂起一个任务时，它需要将 CPU 寄存器里面的信息保存到任务的堆栈当中，然后从下一个任务的堆栈中读取对应的 CPU 寄存器信息并恢复，那么下一个任务就可以执行了。

在这里插入图片描述

图片来源于网络3

但上下文切换的开销很昂贵，它有大量的工作需要处理，比如寄存器和内存页表的存储和恢复、内核数据结构的更新等等。

所以，线程并不是越多越好，因为线程越多，上下文切换越频繁，极端情况下效率不升反降。

并且，进程的上下文切换比线程开销的要大。

注意：在同一个进程中，线程的切换不会引起进程的切换，不同进程中，线程的切换会引起进程的切换。

所以，回到问题什么时候用进程什么时候用线程这个问题上来，一般认为：

相互独立的任务用进程因为内存独立的原因，资源相互不干扰，比如播放音乐用一个进程，图像绘制用一个进程。音乐出故障了，图像还能正常绘制。如果用线程的话，单线程发生故障可能导致整个进程一起被干掉。

2.相关性高的并行需求用线程

因为线程上下文切换开销小，所以同一个任务或者同一个业务逻辑的代码可以尝试用线程开发。

线程开发的基础概念

线程和进程的基本差别上面内容介绍的差不多了，下面提一些线程开发中常出现的基础概念。

用户态线程和内核态线程

用户态线程指的是用户层面自己创建的线程，自己管理生命周期，包括创建、切换、销毁。比如，最近流行的协程就属于此，一般通过线程库实现。

内核态线程指的是由操作系统的内核管理生命周期的线程，如用 pthread 创建的线程。

POSIX 标准

POSIX（Portable Operating System Interface of UNIX）是可移植操作系统接口，定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准。

什么意思呢？

操作系统有很多种，有些编程语言可以跨平台开发，有些则不能。

比如，Android 成立之初就选用 Java，原因就是 Java 跨平台，所以那些做 Java 开发的工程师可以很快投入到新的领域。但是 Java 的跨平台是建立在虚拟机上，虚拟机屏蔽了操作系统的不同，提供了统一的 API，但一定程度上牺牲了性能。我们很多年感觉的 Android 卡，和这有很大关系。

而 POSIX 意在获得操作系统源码级的 API 支持。

并且，POSIX 标准中定义了进程和线程相关标准。

Linux 是支持 POSIX 标准的，我们用 pthread 创建线程就属于此。

线程库

在 Linux 开发中，线程的实现可以通过系统调用。

但系统调用太麻烦了，一般用线程的封装好的线程库，目前常用的有：

posix pthreadC++11 ThreadBoost 线程库

思考题

文章最后，抛出一个问题。

我们知道，多线程开发是为了并行。

并行是通过 CPU 时间片调度而来。

线程 A: ++ + + +

线程 B: - - – -

CPU : +±±±-±

也有同学知道，所谓并行其实只是看起来并行。

那问题是：

可以串行的任务，非要人为并行吗？

引用

https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E7%A8%8B/103101?fr=aladdin ↩︎https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%9B%E7%A8%8B/382503?fr=aladdin ↩︎https://baike.baidu.com/pic/%E4%B8%8A%E4%B8%8B%E6%96%87%E5%88%87%E6%8D%A2/4842616/0/37d12f2eb9389b504fc24c9c577df2dde71191efc0ee?fr=lemma&ct=single#aid=0&pic=37d12f2eb9389b504fc24c9c577df2dde71191efc0ee ↩︎

转载地址：http://wbegn.baihongyu.com/

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