1. 進程與線程的簡單解釋

進程（Process）和線程（Thread）是操作系統(tǒng)的基本概念，但是它們比較抽象，不容易掌握。以下這個解釋出自阮一峰老師的博客，雖然「不是非常嚴謹，但是足夠形象」，看完之后能對進程和線程有個非常直觀的印象，這樣也方便理解后文。

① 計算機的核心是 CPU，它承擔了所有的計算任務。它就像一座工廠，時刻在運行。

②「假定工廠的電力有限，一次只能供給一個車間使用」。也就是說，一個車間開工的時候，其他車間都必須停工。背后的含義就是，單個 CPU 一次只能運行一個任務。

③ 進程就好比工廠的車間，它代表 CPU 所能處理的單個任務。任一時刻，CPU 總是運行一個進程，其他進程處于非運行狀態(tài)。

④ 一個車間里，可以有很多工人。他們協(xié)同完成一個任務。

⑤ 線程就好比車間里的工人。一個進程可以包括多個線程。

⑥ 車間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個工人都可以進出的。這象征一個進程的內存空間是共享的，每個線程都可以使用這些共享內存。

⑦ 可是，每間房間的大小不同，有些房間最多只能容納一個人，比如廁所。里面有人的時候，其他人就不能進去了。這代表一個線程使用某些共享內存時，其他線程必須等它結束，才能使用這一塊內存。

⑧ 一個防止他人進入的簡單方法，就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門，后到的人看到上鎖，就在門口排隊，等鎖打開再進去。這就叫"互斥鎖"（Mutual exclusion，縮寫 Mutex），防止多個線程同時讀寫某一塊內存區(qū)域。

⑨ 還有些房間，可以同時容納 n 個人，比如廚房。也就是說，如果人數大于 n，多出來的人只能在外面等著。這好比某些內存區(qū)域，只能供給固定數目的線程使用。

⑩ 這時的解決方法，就是在門口掛 n 把鑰匙。進去的人就取一把鑰匙，出來時再把鑰匙掛回原處。后到的人發(fā)現(xiàn)鑰匙架空了，就知道必須在門口排隊等著了。這種做法叫做 "信號量"（Semaphore），用來保證多個線程不會互相沖突。

不難看出，互斥鎖 Mutex 是信號量 semaphore 的一種特殊情況（n = 1時）。也就是說，完全可以用后者替代前者。但是，因為 Mutex 較為簡單，且效率高，所以在必須保證資源獨占的情況下，還是采用這種設計。

2. 進程基礎掃盲

① 什么是進程

結合上文的簡單解釋，下面給出進程的科學定義：「進程是程序在某個數據集合上的一次運行活動，也是操作系統(tǒng)進行資源分配和保護的基本單位」。

通俗來說，「進程就是程序的一次執(zhí)行過程」，程序是靜態(tài)的，它作為系統(tǒng)中的一種資源是永遠存在的。而進程是動態(tài)的，它是動態(tài)的產生，變化和消亡的，擁有其自己的生命周期。

舉個例子：同時掛三個 QQ 號，它們就對應三個 QQ 進程，退出一個就會殺死一個對應的進程。但是，就算你把這三個 QQ 全都退出了，QQ 這個程序死亡了嗎？顯然沒有。

進程不僅包含正在運行的程序實體，并且包括這個運行的程序中占據的所有系統(tǒng)資源，比如說 CPU、內存、網絡資源等。很多小伙伴在回答進程的概念的時候，往往只會說它是一個運行的實體，而會忽略掉進程所占據的資源。比如說，同樣一個程序，同一時刻被兩次運行了，那么他們就是兩個獨立的進程。

② 進程的組成

進程主要由三個部分組成：

1）「進程控制塊 PCB」。包含如下幾個部分：

進程描述信息

進程控制和管理信息

資源分配清單

CPU 相關信息

2）「數據段」。即進程運行過程中各種數據（比如程序中定義的變量）

3）「程序段」。就是程序的代碼（指令序列）

舉個例子：同時掛三個 QQ 號，會對應三個 QQ 進程，它們的 PCB、數據段各不相同，但程序段的內容都是相同的 （都是運行著相同的 QQ 程序）

PCB 是提供給操作系統(tǒng)用的，而程序段、數據段是給進程自己用的。

進程控制塊 PCB

每個進程有且僅有一個進程控制塊（Process Control Block，PCB），或稱進程描述符，它是「進程存在的唯一標識」，是「操作系統(tǒng)用來記錄和刻畫進程狀態(tài)及環(huán)境信息的數據結構」，也是操作系統(tǒng)掌握進程的唯一資料結構和管理進程的主要依據。所以說 PCB 是提供給操作系統(tǒng)使用的。

通俗的解釋：操作系統(tǒng)需要對各個進程進行管理，但凡管理時所需要的信息，都會被放在 PCB 中，「PCB 是進程存在的唯一標志」。創(chuàng)建進程和撤銷進程等都是指對 PCB 的操作，當進程被創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)為其創(chuàng)建 PCB，當進程結束時，會回收其 PCB。

一般來說，PCB 會包含如下四類信息：

1）「進程描述信息」：用來讓操作系統(tǒng)區(qū)分各個進程

當進程被創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)會為該進程分配一個唯一的、不重復的 “身份證號”—「PID」（ProcessID，進程 ID）

另外，進程描述信息還包含進程所屬的用戶 ID（「UID」）

2）「進程控制和管理信息」：記錄進程的運行情況。比如 CPU 的使用時間、磁盤使用情況、網絡流量使用情況等。

3）「資源分配清單」：記錄給進程分配了哪些資源。比如分配了多少內存、正在使用哪些 I/O 設備、正在使用哪些文件等。

4）「CPU 相關信息」：進程在讓出 CPU 時，必須保存該進程在 CPU 中的各種信息，比如各種寄存器的值。用于實現(xiàn)進程切換，確保這個進程再次運行的時候恢復 CPU 現(xiàn)場，從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。這就是所謂的「保存現(xiàn)場信息」。

③ 進程的狀態(tài)

盡管每一個進程都是獨立的實體，有其自己的 PCB 和內部狀態(tài)，但是進程之間經常需要相互作用。一個進程的輸出結果可能是另一個進程的輸入。假設進程 A 的輸入依賴進程 B 的輸出，那么在進程 B 的輸出結果沒有出來之前，進程 A 就無法執(zhí)行，它就會被阻塞。這就是進程的阻塞態(tài)。

經典的進程三態(tài)模型如下：

「運行態(tài)」（running）：進程占有 CPU 正在運行。

「就緒態(tài)」（ready）：進程具備運行條件，等待系統(tǒng)分配 CPU 以便運行。

「阻塞態(tài)」/ 等待態(tài)（wait）：進程不具備運行條件，正在等待某個事件的完成。

上圖中的時間片用完，可以這樣理解：

進程是并發(fā)執(zhí)行的嘛，宏觀上在一段時間內能同時運行多個程序，但其實微觀上是交替發(fā)生的。也就是說 CPU 一般不會讓一個進程一次性執(zhí)行完，為了保證所有進程可以得到公平調度，CPU 時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個進程。某個進程的時間片用完后這個進程就會進入就緒態(tài)，而其他被分配到時間片的進程就會進入運行態(tài)。這個處于就緒態(tài)的進程就需要等待進程調度程序的下一次調度，為其分配 CPU 時間片后才能再次恢復運行。

需要注意的是：「阻塞態(tài)是由于缺少需要的資源從而由運行態(tài)轉換而來，但是該資源不包括 CPU 時間片，缺少 CPU 時間片會從運行態(tài)轉換為就緒態(tài)」。

很多系統(tǒng)中都增加了新建態(tài)（new）和終止態(tài)（exit），形成「五態(tài)模型」：

「新建態(tài)」（new）：進程正在被創(chuàng)建時的狀態(tài)

「終止態(tài)」（exit）：進程正在從系統(tǒng)中消失時的狀態(tài)

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，「只有就緒態(tài)和運行態(tài)可以相互轉換，其它的都是單向轉換」。

這些不同狀態(tài)的進程操作系統(tǒng)是如何進行管理的呢？上文說過，PCB 是提供給操作系統(tǒng)使用的，是操作系統(tǒng)管理進程的主要依據。沒錯，操作就是通過 PCB 來管理這些擁有不同狀態(tài)的進程的。

進程的 PCB 會通過某種方式組織起來，一般來說，操作系統(tǒng)會把處于同一狀態(tài)的所有進程的 PCB 鏈接在一起，這種數據結構就稱為「進程隊列」（Process Queue）。

④ 進程控制

所謂進程控制就是對系統(tǒng)中的所有進程實施有效的管理，「實現(xiàn)進程狀態(tài)轉換」功能。包括創(chuàng)建進程、阻塞進程、喚醒進程、終止進程等，這些功能均由「原語」來實現(xiàn)，操作系統(tǒng)通過原語來完成進程原理，包括進程的同步和互斥、進程的通信和管理。

「什么是原語」？原語是一種特殊的程序，它的執(zhí)行具有「原子性」。也就是說，這段程序的運行必須一氣呵成，不可中斷。原語是操作系統(tǒng)內核里的一段程序：

思考一下：為什么進程控制（進程狀態(tài)轉換）的過程要一氣呵成，不可中斷？

答：如果進程狀態(tài)轉換的過程不能一氣呵成，就有可能導致操作系統(tǒng)中的某些關鍵數據結構信息不統(tǒng)一，這會影響操作系統(tǒng)進行別的管理工作。

進程的創(chuàng)建

操作系統(tǒng)初始啟動時會創(chuàng)建承擔系統(tǒng)資源分配和控制管理的一些系統(tǒng)進程，同時還會創(chuàng)建一個所有用戶進程的祖先，其他用戶進程是在應用程序運行時創(chuàng)建的。

操作系統(tǒng)允許一個進程創(chuàng)建另一個進程，而且允許子進程繼承父進程所擁有的資源，當子進程被終止時，其在父進程處繼承的資源應當還給父進程。同時，終止父進程時同時也會終止其所有的子進程。

創(chuàng)建進程的過程，也就是「創(chuàng)建原語」包含的內容如下：

在進程列表中增加一項，從 PCB 池中申請一個空閑的 PCB（PCB 是有限的，若申請失敗則創(chuàng)建失敗），為新進程分配一個唯一的進程標識符；

為新進程分配地址空間，由進程管理程序確定加載至進程地址空間中的程序；

為新進程分配各種資源；

初始化 PCB，如進程標識符、CPU 初始狀態(tài)等；

把新進程的狀態(tài)設置為就緒態(tài)，并將其移入就緒隊列，等待被調度運行。

「什么事件會觸發(fā)進程的創(chuàng)建呢」？有如下四種情況：

用戶登錄：分時系統(tǒng)中，用戶登錄成功，系統(tǒng)會為其建立一個新的進程

作業(yè)調度：多道批處理系統(tǒng)中，有新的作業(yè)放入內存中，會為其建立一個新的進程

提供服務：用戶向操作系統(tǒng)提出某些請求時，會新建一個進程處理該請求

應用請求：由用戶進程主動請求創(chuàng)建一個子進程

進程的終止

進程的終止也稱為撤銷，進程完成特定工作或出現(xiàn)嚴重錯誤后必須被終止。引起進程終止的事件有三種：

正常結束：進程自己請求終止（exit 系統(tǒng)調用）

異常結束：比如整數除 0，非法使用特權指令，然后被操作系統(tǒng)強行終止

外界干預：Ctrl + Alt + delete 打開進程管理器，用戶手動殺死進程

終止（撤銷）進程的過程，也就是「撤銷原語」包含的內容如下：

從 PCB 集合中找到終止進程的 PCB；

若進程處于運行態(tài)，則立即剝奪其 CPU，終止該進程的執(zhí)行，然后將 CPU 資源分配給其他進程；

如果其還有子進程，則應將其所有子進程終止；

將該進程所擁有的全部資源都歸還給父進程或操作系統(tǒng)；

回收 PCB 并將其歸還至 PCB 池。

進程的阻塞和喚醒

進程阻塞是指進程讓出 CPU 資源轉而等待一個事件，如等待資源、等待 I/O 操作完成等。進程通常使用阻塞原語來阻塞自己，所以阻塞是進程的自主行為，是一個同步事件。當等待事件完成時會產生一個中斷，激活操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)的控制下將被阻塞的進程喚醒，也就是喚醒原語。

進程的阻塞和喚醒顯然是由進程切換來完成的。

進程的阻塞步驟，也就是「阻塞原語」的內容為：

找到將要被阻塞的進程對應的 PCB；

保護進程運行現(xiàn)場，將 PCB 狀態(tài)信息設置為阻塞態(tài)，暫時停止進程運行；

將該 PCB 插入相應事件的阻塞隊列（等待隊列）。

進程的喚醒步驟，也就是「喚醒原語」的內容為：

在該事件的阻塞隊列中找到相應進程的 PCB；

將該 PCB 從阻塞隊列中移出，并將進程的狀態(tài)設置為就緒態(tài)；

把該 PCB 插入到就緒隊列中，等待被調度程序調度。

阻塞原語和喚醒原語的作用正好相反，「阻塞原語使得進程從運行態(tài)轉為阻塞態(tài)，而喚醒原語使得進程從阻塞態(tài)轉為就緒態(tài)」。如果某個進程使用阻塞原語來阻塞自己，那么他就必須使用喚醒原語來喚醒自己，因何事阻塞，就由何事喚醒，否則被阻塞的進程將永遠處于阻塞態(tài)。因此，「阻塞原語和喚醒原語是成對出現(xiàn)的」。

⑤ 進程上下文切換

所謂進程的上下文切換，就是說各個進程之間是共享 CPU 資源的，不可能一個進程永遠占用著 CPU 資源，不同的時候進程之間需要切換，使得不同的進程被分配 CPU 資源，這個過程就是進程的上下文切換，「一個進程切換到另一個進程運行」。

因為進程是由內核進行管理和調度的，所以「進程的上下文切換一定發(fā)生在內核態(tài)」。

進程上下文的切換也是一個原語操作，稱為「切換原語」，其內容如下：

首先，將進程 A 的運行環(huán)境信息存入 PCB，這個運行環(huán)境信息就是進程的上下文（Context）

然后，將 PCB 移入相應的進程隊列；

選擇另一個進程 B 進行執(zhí)行，并更新其 PCB 中的狀態(tài)為運行態(tài)

當進程 A 被恢復運行的時候，根據它的 PCB 恢復進程 A 所需的運行環(huán)境

引起進程上下文切換的事件，也就是某個占用 CPU 資源運行的當前進程被趕出 CPU 的原因有如下：

當前進程的時間片到

有更高優(yōu)先級的進程到達

當前進程主動阻塞

當前進程終止

3. 線程基礎掃盲

① 什么是線程

結合文章開頭的簡單解釋，「一個進程中可以有多個線程，它們共享這個進程的資源。」

舉個例子，QQ 和 Chrome 瀏覽器是兩個進程，Chrome 進程里面有很多線程，例如 HTTP 請求線程、事件響應線程、渲染線程等等，線程的并發(fā)執(zhí)行使得在瀏覽器中點擊一個新鏈接從而發(fā)起 HTTP 請求時，瀏覽器還可以響應用戶的其它事件。

② 為什么要引入線程

早期的操作系統(tǒng)都是以進程作為獨立運行的基本單位的，直到后期計算機科學家們又提出了更小的能獨立運行的基本單位，也就是線程。這就好比物理學家研究物質組成一樣：先發(fā)現(xiàn)了分子，然后繼續(xù)細分發(fā)現(xiàn)原子，再后來是原子核和電子、夸克等等。

那么，為什么要引入線程呢？我們只需要記住這句話：「線程又稱為迷你進程，但是它比進程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷」。

從上文我們知道，進程是擁有資源的基本單位，而且還能夠進行獨立調度，這就猶如一個隨時背著糧草的士兵，這必然會造成士兵的執(zhí)行命令（戰(zhàn)斗）的速度。所以，一個簡單想法就是：分配兩個士兵執(zhí)行同一個命令：一個負責攜帶所需糧草隨時供給，另一個士兵負責執(zhí)行命令（戰(zhàn)斗）。這就是線程的思想，「輕裝上陣的士兵就是線程」。

用嚴謹的語言描述來說就是：由于創(chuàng)建或撤銷進程時，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內存空間、I/O 設備等，需要較大的時空開銷，限制了并發(fā)程度的進一步提高。為減少進程切換的開銷，「把進程作為資源分配單位和調度單位這兩個屬性分開處理」，即進程還是作為資源分配的基本單位，但是不作為調度的基本單位（很少調度或切換），把調度執(zhí)行與切換的責任交給線程，即「線程成為獨立調度的基本單位」，它比進程更容易（更快）創(chuàng)建，也更容易撤銷。

記住這句話！引入線程前，進程是資源分配和獨立調度的基本單位。引入線程后，「進程是資源分配的基本單位，線程是獨立調度的基本單位」。

③ 線程優(yōu)缺點

線程的特征和進程差不多，進程有的他基本都有，比如：

線程具有就緒、阻塞、運行三種基本狀態(tài)，同樣具有狀態(tài)之間的轉換關系；

線程間可以并發(fā)執(zhí)行

在多 CPU 環(huán)境下，各個線程也可以分派到不同的 CPU 上并行執(zhí)行

線程的優(yōu)點：

一個進程中可以同時存在多個線程，這些線程共享該進程的資源。進程間的通信必須請求操作系統(tǒng)服務（因為 CPU 要切換到內核態(tài)），開銷很大。而同進程下的線程間通信，無需操作系統(tǒng)干預，開銷更小。

不過，需要注意的是：從屬于不同進程的線程間通信，也必須請求操作系統(tǒng)服務。

線程間的并發(fā)比進程的開銷更小，系統(tǒng)并發(fā)性提升。

同樣，需要注意的是：從屬于不同進程的線程間切換，它是會導致進程切換的，所以開銷也大。

線程的缺點：

當進程中的一個線程奔潰時，會導致其所屬進程的所有線程奔潰。

舉個例子，對于游戲的用戶設計，就不應該使用多線程的方式，否則一個用戶掛了，會影響其他同個進程的線程。

4. 總結

操作系統(tǒng)的設計，從進程和線程的角度來說，可以歸結為三點：

以多進程形式，允許多個任務同時運行；

以多線程形式，允許單個任務分成不同的部分運行；

提供協(xié)調機制，一方面防止進程之間和線程之間產生沖突，另一方面允許進程之間和線程之間共享資源。

原文標題：五分鐘掃盲：進程與線程基礎必知

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責任編輯：haq