愉悦的绅士

菜鸟之旅——学习线程（基础）

　　在现在的软件编程中，不可避免的会用到多线程或者其他方式来实现异步的目的，那么，线程是个什么东西，如何使用？这些都是需要去学习与摸索的东西。不过在学习线程之前，还是有一些知识需要掌握的，虽说都是书本上的东西，但是还是对线程的学习有一定的作用的。

进程

　目的

　　现在的计算机存在很多的操作系统（OS），大部分操作系统都是实时操作系统，可以实时的响应用户的操作，它们往往都有共同的基本特征：并发、共享和虚拟，进程的产生于并发、共享有很大的联系。

　　操作系统可以“同时”运行着很多的程序，并且很多程序有可能会有通讯、共同使用某些I\O设备，比如打印机之类的，这些都是操作系统为我们提供的诸多便利，但是实际上CPU在同一时刻只能处理一道程序，但是操作系统却实现了程序并发的特征，这是因为在微观上是因为多个程序交替使用CPU和其他资源；但是在多道程序环境下，程序之间将会失去封闭性，并具有间断性及不可再现性，为了能够更好的实现并发特征，引入了进程这一概念。每个进程通过一种时间片轮转调度算法来进行调度，分配运行时间片，在时间片内可以使用CPU或是其他资源，由于时间片非常短暂，用户感觉不到进程之间的切换。

　　注意：在多处理机上，每个处理机可以处理不同的程序，可以说是真正的并发。

　定义

　　从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较典型的定义有：

　　1、进程是程序的一次执行过程。

　　2、进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。

　　3、进程是具有独立功能的程序在一个数据集上运行的过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

　组成

　　PCB：进程控制块，为了使参与并发执行的程序（含数据）能够独立的运行，更好的并发且不会冲突，于必须给进程配置一个专门的数据结构，操作系统利用PCB来控制和管理进程，PCB是进程的唯一标识。

　　程序段：程序段就是能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段，注意程序是固定的，可以被多个进程共享，就是说多个进程可以运行同一段程序。

　　数据段：一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。

　　由PCB、程序段和数据段三部分构成了进程映像，进程的创建就是创建进程映像中的PCB，进程的撤销就是撤销进程的PCB。在引入进程映像的概念后，可以把传统操作系统中的进程定义为：进程是进程映像的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程是动态的，而进程映像是静态的。

　状态

　　进程存在5种状态，分别是创建、就绪、运行、阻塞和终止，而进程大部分时间是在就绪、阻塞和终止三个状态下切换。
　　　　　　　　　　　　　

　　进程的切换：进程切换就是处理机（CPU）从一个进程的运行转到另一个进程上，进程的运行环境发生了实质性的变化：

　　1、保存CPU上下文，包括程序计数器和其他寄存器；

　　2、更新PCB信息；

　　3、把进程的PCB移入相应的队列，比如就绪或者等待队列；

　　4、选择另一个进程运行，更新其PCB；

　　5、更新内存管理的数据结构；

　　6、恢复CPU上下文信息。

线程

　　我们从上面简单的回顾了一下进程的基本知识，当然，进程还有很多知识点没有介绍到，因为本人能力有限，就不更多的介绍了。下面开始回顾线程的基本知识：

　目的

　　进程的引入是为了解决操作系统实现多个程序并发执行，进程的出现使各个程序在并发执行具有良好的封闭性，在进程切换的时候总会消耗一些资源，有一定量的时空消耗，但是随着软件复杂度提升，进程所占用的资源也会变多，在进程切换时需要付出更多的时空开销！于是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提升操作系统的并发性能，便引入了线程的概念。

　定义

　　对于线程的最直接理解就是：轻量级进程，它是一个基本的CPU执行单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成；线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一些在运行中必不可少的资源，但是可以与同一进程下的线程共享进程的全部资源。

　　引入线程之后，进程的内涵发生了变化，进程只作为除CPU以外系统资源的分配单元，线程则作为CPU的分配单元，进程内线程切换时不会引起进程切换，减少时空开销。

　与进程的比较

　　1、调度：在传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程，在引入线程之后，线程则变为独立调用的基本单位，进程则是拥有资源 的基本单位；同一进程内线程切换不会引起进程的切换，但是不同进程间的线程切换则会引起进程的切换。

　　2、拥有资源：进程是拥有资源的基本单位，而线程不拥有系统资源（除一些必不可少的资源），但是线程可以使用其进程的资源。

　　3、系统开销：由于线程并不拥有系统资源，所以同一进程下线程在被调度到CPU执行时，只需保存和设置少量寄存器内容，而无需保存、更新进程在CPU运行的环境，所付出的时空开销相对变得更少。

　　4、并发性：在引入线程的操作系统中，由于线程不论在创建、撤销或者在调度切换时时空消耗更低，且进程间的线程切换也不会引起进程的切换，所以在整体的并发性能上，引入线程的操作系统吞吐量更高。

总结

　　进程：计算机的CPU在同一时刻只有一道程序运行，且CPU是高速的，若是CPU等待程序的其他资源就绪，就会造成CPU的性能浪费，若是并发执行程序，在等待当前程序的其他资源就绪时，先去运行别的程序，就可以尽量减少CPU性能的浪费；这时引入了进程的概念，且CPU是以时间片调度的方式运行进程，进程的出现使得多到程序并发执行具有良好的封闭性和可控，使得操作系统拥有可控、稳定的并发性能。

　　线程：进程作为系统资源和调度的基本单元本身是没什么问题，但是随着程序的日渐复杂，进程所拥有的资源变多，在进程被调度到CPU进行切换时，CPU需要保存当前进程的运行环境和设置要执行进程的运行环境，这里所付出的时空开销会越来越大；为了减少在调度时的开销，引入了更轻量的进程-线程，这时进程不再作为调度的基本单元，线程变为调度的基本单元，线程在进行切换要比进程的切换的开销小很多，这时操作系统的并发性能能够得到更良好的应用。

　　总结的知识点不是很多，深一层的运行机制、数据结构和调度算法等，因本人知识限制都没有涉及到，这里还需要后续的学习。

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