【操作系统】进程与线程

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进程是一个拥有资源和执行任务的单元体。进程拥有的资源包括：内存空间中的代码、数据等；I/O 资源；文件；处理机等。

线程是一个执行任务的单元体。线程只拥有处理机，线程之间共享进程的资源，如内存、I/O 等。

对比：

为什么需要线程

进程切换是一个开销很大的操作。进程切换的开销主要包括：

• 处理机的上下文切换：保存和恢复相关寄存器的内容
• 与进程相关的数据结构更改：存储管理有关的记录信息（如页表）、文件管理有关数据（如文件描述符）、进程控制块中的各种队列（如阻塞队列、就绪队列、通信队列）等

进程的处理机资源和其他资源是一起分配的，进程切换的时候会整体切换，开销很大。如果我们只切换必需的、与处理机相关的信息，就可以有效减少开销。这种情况下，处理机分配的单位和其他的资源分配的单位不能再是一个实体。

由此引入线程：把一个进程分为多个执行任务的单元体，只为其分配处理机，这些执行任务的单元体就是线程。

线程的上下文切换过程

线程有自己的寄存器和栈。当上下文切换的时候，正在运行的线程会将寄存器的状态保存到 TCB（Thread Control Block）里（进程是 PCB，Process Control Block），然后恢复另一个线程的上下文。

图 1：单线程与多线程的示意图

和进程的区别是，线程只需要切换处理机执行的上下文，不会改变地址空间。这意味着：

1. 不需要重新加载页表，切换开销少，提高效率
2. 多个线程共享地址空间，有利有弊

线程的优缺点

优点：

• 提高效率：切换开销小
• 通信方便，共享内存；进程必须通过进程间通信 IPC

缺点：

• 一个线程出错，操作系统会结束整个进程，不够健壮；而多进程就没有这个问题
• 同一进程中的多个线程共享内存，会有并发问题

同一进程中的线程共享与独占的资源

共享资源：

• 内存空间
  • 代码
  • 公共数据（全局变量、静态变量）
  • 堆
• 文件描述符
• 信号处理器
• 进程 ID / 进程组 ID
• …

独占资源，以及为什么需要独占：

• 线程 ID：在本进程中唯一，进程用来标识此线程
• 一组寄存器的值
• 栈：每个线程中的函数调用过程是独立的，因此需要有独立的栈
• 错误返回码：系统调用或库函数发生错误时，会设置全局变量 errno，各个线程的错误返回码应该是独立的
• 信号屏蔽码：每个线程所感兴趣的信号不同，所以线程的信号屏蔽码应该由线程自己管理；但每个线程都共享本进程的信号处理器

可以参考图 1。

线程的实现方式

线程也像进程一样有多个状态：运行、就绪、阻塞…

从 Linux 内核的角度来看，线程和进程并没有被区别对待。无论线程还是进程，都是用 task_struct 结构表示的，只不过线程的 mm（内存空间）和 files（打开的文件）结构体是共享的，见进程、线程和文件描述符 - labuladong。

线程实现的方式有三种：

• 在内核实现
• 在用户空间实现
• 混合方式实现

每种实现方式的优缺点：TODO

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参考资料：

• 同一进程中线程共享和独占的资源 - 极客分享