# 进程与线程

# 进程

在任何多道程序涉及系统中，CPU由一个进程快速切换至另一个进程，使每个进程各运行几十或几百秒。严格的来说，在某一瞬间，CPU只能运行一个进程，但在1秒钟内，它可能运行多个进程，这样产生了一种并行的错觉。 进程 ，由一组执行的指令、一个当前的状态和一组相关的系统资源表征的活动单元。

也可以把进程视为一组元素组成的实体，进程的两个基本元素是程序代码和与代码相关的数据集。进程被创建时，系统会创建和管理与之相应的进程控制块（Process Control Block，PCB），这种数据结构包括标识符、状态、优先级、程序计数器、内存指针、上下文数据、I/O 状态信息和记账信息。

在迄今为止的讨论中，进程具有如下两个特点：

• 资源所有权 进程包括存放在进程映像的虚拟地址空间，进程映像是包括程序、数据、栈和进程控制块中定义的属性集。进程总具有对资源的控制权和有所有权，这些资源包括内存、I/O通道、I/O设备和文件。操作系统提供预防进程间发生不必要的资源冲突的保护功能。
• 调度/执行 进程执行时采用一个或多程序的执行路径，不同进程的执行过程会交替进行。因此，进程具有执行态和分配给其的优先级，是可被操作系统调度和分派的实体。

因此，进程可以是说是由程序代码与相关数据及进程控制块组成。

# 进程创建的步骤

1. 为新进程分配一个唯一的进程标识符
2. 为进程分配空间
3. 初始化进程控制块
4. 设置正确的链接：例如，若操作系统将每一个调度队列都维护为一个链表，则新进程必须放在就绪或者就绪／挂起链表中。
5. 创建或扩充其他数据结构。为每一个进程创建一个记账文件

# 进程切换的步骤

1. 保存处理器的上下文，包括程序计数器和其它寄存器
2. 更新当前处于运行态的进程的进程控制块，包括把进程的状态改变为另一状态。
3. 把改进程的程序控制块移到相应的队列
4. 选择另一个进程执行
5. 更新所选进程的程序控制块，包括把进程的状态改为运行态
6. 更新内存管理数据结构
7. 载入程序计数器和其它寄存器的值，将处理器的上下文恢复为所选进程上次退出时保存的运行上下文

# UNIX创建新进程的步骤

UNIX创建新进程由内核系统调用函数fork()实现。一个进程发出一个fork请求时：

1. 在进程表中为新进程分配一项
2. 为子进程分配唯一一个进程标识符
3. 复制父进程的进程映像，但共享内存除外（Linux对此有优化）
4. 增加父进程所拥有文件的计数器，反映了另一个进程也拥有这些文件的事实
5. 将子进程设置为就绪态
6. 将子进程的ID号返回给父进程，将0值返回给子进程。

# 线程

多线程是指操作系统在单个进程内支持多个并发执行路径的能力。每个进程中仅执行单个线程的传统方法称为单线程方法。

# 为啥要用线程？

相比进程，线程具有的优点：

1. 在已有进程中创建一个新线程的时间，远少于创建一个全新进程的时间
2. 终止一个线程的时间比终止进程所花的时间少
3. 同一进程内线程切换的时间要少于进程之间的切换时间
4. 线程提高了不同程序之间通信的效率。在多数操作系统中，独立进程间的通信需要内核的介入，以提供保护和通信所需的机制。由于同一进程中的多个线程共享内存和文件，因此它们无需调用内核就可以互相通信。

# Linux线程

Linux提供一种不区分进程和线程的解决方案。通过复制当前进程的属性可创建一个新的进程。新进程创建后，可以共享资源，比如文件、信号处理程序和虚存。两个进程有共享的相同的虚存时，可将它们视为一个进程中的线程。==然而，Linux没有专门为线程单独定义数据结构，因此Linux中的进程和线程没有区别。==Linux用clone()命令代替通常的fork()命令来创建进程（传统的fork()使用clone()系统调用实现的）。

# Linux命名空间

Linux中和每个进程相关联的是一组命名空间。命名空间可以使一个进程（或共享同一命名空间下的多个进程）拥有与其它命令空间的其他进程不同的系统视图。当前Linux下有6种命名空间，即mnt、pid、net、ipc、uts和user。

# 进程与线程的一个简单解释

[source: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html]

进程（process）和线程（thread）是操作系统的基本概念，但是它们比较抽象，不容易掌握。

1. 计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。

2. 假定工厂的电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。

3. 进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。

4. 一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

5. 线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

6. 车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。

7. 可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

8. 一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。

9. 还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。

10. 这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

    不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

11. 操作系统的设计，因此可以归结为三点：

    1. 以多进程形式，允许多个任务同时运行；
    2. 以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；
    3. 提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源