2-进程、线程、协程

矫情吗；* 2021-08-19 12:53 532阅读 0赞

### 进程、线程 ###

*  1. 进程
 *   *  1.1 为什么要引入进程
     *  1.2 进程的定义
     *  1.3 进程的组织
     *  1.4 进程的特征
     *  1.5 进程的状态及转化
     *  1.6 进程控制
     *  1.7 进程通信
 *  2. 线程
 *   *  2.1 线程带来的变化
     *  2.2 线程的好处
     *  2.3 线程的实现方式
     *   *  2.3.1 用户级线程
         *  2.3.2 内核级线程
         *  2.3.3 组合方式
     *  2.4 多线程模型
     *   *  2.4.1 多对一
         *  2.4.2 一对一
         *  2.4.3 多对多
 *  3、协程
 *   *  3.1 协程是什么

# 1. 进程 #

## 1.1 为什么要引入进程 ##

在早期的单道批处理系统中，内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后，才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待 I/O 完成。资源利用率很低。

比如说，我们想在计算机上运行QQ和微信，那么只有将QQ关闭后，才能打开微信在单道批处理系统中。但是在现在的操作系统中，QQ和微信显然不是以这样的方式运行，而是一种宏观上并行执行的方式。

当多个程序并发执行时，内存中同时存在多道程序，及其代码、数据。那么操作系统如何管理及找到这些数据呢？

为解决上述问题，完成各程序**并发**执行，从而引入了进程、进程实体的概念。

## 1.2 进程的定义 ##

首先我们介绍一下什么是程序？我们敲的`printf("hello world")`，便可以看作是程序，程序是指令序列的集合，具有静态性。

而**进程则是正在执行的程序实例**，具有动态性。执行程序时，操作系统会创建一个 进程实体 `PCB` 给运行中的程序。

在多道批处理系统中，操作系统需要管理及找到各个程序所对应的数据，而进程实体的作用便是用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置，可以使用的资源有哪些等）。

`PCB`中包含如下信息：

*  进程描述信息

进程标识符 PID

用户表示符 UID

*  进程控制和管理信息

进程状态

进程优先级

*  资源分配清单

程序段指针

数据段指针

键盘

鼠标

*  处理机相关信息

各种寄存器

## 1.3 进程的组织 ##

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个`PCB`。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些`PCB`组织起来。

**链接方式**

按照进程状态将PCB分为多个队列（如就绪队列、阻塞队列），操作系统持有指向各个队列的指针

**索引方式**

根据进程状态的不同，建立几张索引表操作系统持有指向各个索引表的指针

## 1.4 进程的特征 ##

相比于程序，进程有以下特征：

1.  动态性（进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的）
2.  并发性（内存中有多个进程实体，各进程可并发执行）
3.  独立性（进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位）
4.  异步性（各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"进程同步机制”来解决异步问题）
5.  结构性（每个进程都会配置一个`PCB`。结构上看，进程由程序段、数据段、`PCB`组成）

## 1.5 进程的状态及转化 ##

在程序执行过程中，有时进程正在被 `CPU` 处理，有时又需要等待 `CPU` 服务。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要合理地划分几种状态。

*  创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化`PCB`
 *  就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲`CPU`，而暂时不能运行
 *  运行态：占有 `CPU`，并在 `CPU` 上运行
 *  阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行
 *  终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有地资源、撤销`PCB`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 1.6 进程控制 ##

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
      如何实现进程控制？

用 原语 实现进程控制。用于的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。

**进程控制的原语主要做以下三类工作**：

*  更新 `PCB` 中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到`PCB`、从 `PCB` 恢复运行环境）

a. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志

b. 剥夺当前运行进程的`CPU`使用权必然需要保存其运行环境（即保存当前进程执行到行代码、数据是啥等）

c. 某进程开始运行前必然要恢复其运行环境（恢复上面保存的数据等，使其可以继续执行）

*  将 `PCB` 插入合适的队列
 *  分配/回收资源

原语属于特权指令，所以需要从用户态切换到内核态执行，而内核态主要是负责执行操作系统相关的代码，所以每一次切换都需要保存当前进程的上下文，而切换回用户态又需要恢复上下文，这便导致切换代价高。

## 1.7 进程通信 ##

[进程间通信][Link 1]

# 2. 线程 #

我们引入进程的目的，是为了提高 CPU 的利用率，而线程的引入则是为了进一步提高并发度。

想必大家在使用 QQ 的时候，都有过这样的场景，一边发文件，一边进行视频。这便是线程在发挥作用，如果没有线程，我们只能发完文件，才能与别人进行视频。

线程可以看作程序中的一条指令顺序执行流（一条路用于发文件，另一条路用于视频）。

可以把线程理解为“轻量级进程”。线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

## 2.1 线程带来的变化 ##

**资源分配、调度**：

传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位。  
            引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。

**并发性**：

传统进程机制中，只能进程间并发。

引入线程后，各线程间也能并发，提升了并发度。

**系统开销**：

传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大。

线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小。

引入线程后，并发所带来的系统开销减小。

## 2.2 线程的好处 ##

线程之间能够方便、快速的共享信息。只需要数据复制到共享（全局或堆）变量中即可，而进程间的信息难以共享。由于进程间并未共享内存，因此必须采用 IPC 方式，在进程间进行信息交换。

创建线程比创建进程通常快10倍甚至更多。

## 2.3 线程的实现方式 ##

### 2.3.1 用户级线程 ###

用户级线程由应用程序通过线程库实现。

所有的线程线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。

在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明）。

“用户级线程”就是“从用户视角能看到的线程”。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 2.3.2 内核级线程 ###

内核级线程管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

### 2.3.3 组合方式 ###

操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
      在上图中，该进程由三个用户级线程、两个内核级线程构成。在用户看来，在这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个`4`核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行指向。

## 2.4 多线程模型 ##

在组合模型中，同时支持用户级线程核内核级线程，由此由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型问题”。

### 2.4.1 多对一 ###

多对一模型：多个用户级线程映射到要给内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。

缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可再多核处理机上并行运行。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

### 2.4.2 一对一 ###

一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程都有与用户级线程同数量的内核级线程。

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

### 2.4.3 多对多 ###

多对多模型: n 用户及线程映射到 m 个内核级线程(n>=m)。每个用户进程对应 m 个内核级线程。

克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# 3、协程 #

目前，协程也开始逐渐流行起来。比如`Golang`中开启一个协程即为简单，只需要一个`go`关键字即可，并且`java`中也正在计划引入协程。

## 3.1 协程是什么 ##

协程（`Coroutines`）是一种比线程更加轻量级的存在，正如一个进程可以拥有多个线程一样，一个线程可以拥有多个协程。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
       协程不是被操作系统内核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升，因为不会像线程切换那样消耗资源。

协程不是进程也不是线程，而是一个特殊的函数，这个函数可以在某个地方挂起，并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说，协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。

[什么是协程][Link 2]

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/wang_zhao_/article/details/106824666
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[Link 2]: https://blog.csdn.net/zheng199172/article/details/88800275