1、背景知識

　 理論基礎(chǔ)：

　　一 操作系統(tǒng)的作用：

1：隱藏丑陋復(fù)雜的硬件接口，提供良好的抽象接口2：管理、調(diào)度進(jìn)程，并且將多個(gè)進(jìn)程對硬件的競爭變得有序

　　二 多道技術(shù)：

1.產(chǎn)生背景：針對單核，實(shí)現(xiàn)并發(fā)（現(xiàn)在的主機(jī)一般是多核，那么每個(gè)核都會利用多道技術(shù)，但是核與核之間沒有使用多道技術(shù)切換這么一說，一個(gè)程序io阻塞，會等到io結(jié)束再重新調(diào)度）2.時(shí)間上的復(fù)用（復(fù)用一個(gè)cpu的時(shí)間片）+空間上的復(fù)用（如內(nèi)存中同時(shí)有多道程序）

2、進(jìn)程

2.1 什么是進(jìn)程

進(jìn)程：正在進(jìn)行的一個(gè)過程或者說一個(gè)任務(wù)。而負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)則是cpu。

2.2 進(jìn)程與程序的區(qū)別

程序僅僅只是一堆代碼而已，而進(jìn)程指的是程序的運(yùn)行過程。

2.3 并發(fā)與并行

無論是并行還是并發(fā)，在用戶看來都是'同時(shí)'運(yùn)行的，不管是進(jìn)程還是線程，都只是一個(gè)任務(wù)而已，真是干活的是cpu，cpu來做這些任務(wù)，而一個(gè)cpu同一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)一 并發(fā)：是偽并行，即看起來是同時(shí)運(yùn)行。單個(gè)cpu+多道技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)，（并行也屬于并發(fā)）二 并行：同時(shí)運(yùn)行，只有具備多個(gè)cpu才能實(shí)現(xiàn)并行單核下，可以利用多道技術(shù)，多個(gè)核，每個(gè)核也都可以利用多道技術(shù)（多道技術(shù)是針對單核而言的）有四個(gè)核，六個(gè)任務(wù)，這樣同一時(shí)間有四個(gè)任務(wù)被執(zhí)行，假設(shè)分別被分配給了cpu1，cpu2，cpu3，cpu4，一旦任務(wù)1遇到I/O就被迫中斷執(zhí)行，此時(shí)任務(wù)5就拿到cpu1的時(shí)間片去執(zhí)行，這就是單核下的多道技術(shù)而一旦任務(wù)1的I/O結(jié)束了，操作系統(tǒng)會重新調(diào)用它(需知進(jìn)程的調(diào)度、分配給哪個(gè)cpu運(yùn)行，由操作系統(tǒng)說了算)，可能被分配給四個(gè)cpu中的任意一個(gè)去執(zhí)行

2.4 同步與異步

同步執(zhí)行：一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，另外一個(gè)進(jìn)程必須等待其執(zhí)行完畢，才能繼續(xù)執(zhí)行

異步執(zhí)行：一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，另外一個(gè)進(jìn)程無需等待其執(zhí)行完畢，就可以繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)有消息返回時(shí)，系統(tǒng)會通知后者進(jìn)行處理，這樣可以提高執(zhí)行效率

舉個(gè)例子，打電話時(shí)就是同步通信，發(fā)短息時(shí)就是異步通信。

2.5 進(jìn)程的創(chuàng)建

　　但凡是硬件，都需要有操作系統(tǒng)去管理，只要有操作系統(tǒng)，就有進(jìn)程的概念，就需要有創(chuàng)建進(jìn)程的方式，一些操作系統(tǒng)只為一個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，比如微波爐中的控制器，一旦啟動微波爐，所有的進(jìn)程都已經(jīng)存在。

　　而對于通用系統(tǒng)（跑很多應(yīng)用程序），需要有系統(tǒng)運(yùn)行過程中創(chuàng)建或撤銷進(jìn)程的能力，主要分為4中形式創(chuàng)建新的進(jìn)程

　　1. 系統(tǒng)初始化（查看進(jìn)程linux中用ps命令，windows中用任務(wù)管理器，前臺進(jìn)程負(fù)責(zé)與用戶交互，后臺運(yùn)行的進(jìn)程與用戶無關(guān)，運(yùn)行在后臺并且只在需要時(shí)才喚醒的進(jìn)程，稱為守護(hù)進(jìn)程，如電子郵件、web頁面、新聞、打印）

　　2. 一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行過程中開啟了子進(jìn)程（如nginx開啟多進(jìn)程，os.fork,subprocess.Popen等）

　　3. 用戶的交互式請求，而創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程（如用戶雙擊暴風(fēng)影音）

　　4. 一個(gè)批處理作業(yè)的初始化（只在大型機(jī)的批處理系統(tǒng)中應(yīng)用）

　　

　　無論哪一種，新進(jìn)程的創(chuàng)建都是由一個(gè)已經(jīng)存在的進(jìn)程執(zhí)行了一個(gè)用于創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用而創(chuàng)建的：

　　1. 在UNIX中該系統(tǒng)調(diào)用是：fork，fork會創(chuàng)建一個(gè)與父進(jìn)程一模一樣的副本，二者有相同的存儲映像、同樣的環(huán)境字符串和同樣的打開文件（在shell解釋器進(jìn)程中，執(zhí)行一個(gè)命令就會創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程）

　　2. 在windows中該系統(tǒng)調(diào)用是：CreateProcess，CreateProcess既處理進(jìn)程的創(chuàng)建，也負(fù)責(zé)把正確的程序裝入新進(jìn)程。

　

　　關(guān)于創(chuàng)建的子進(jìn)程，UNIX和windows

　　1.相同的是：進(jìn)程創(chuàng)建后，父進(jìn)程和子進(jìn)程有各自不同的地址空間（多道技術(shù)要求物理層面實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間內(nèi)存的隔離），任何一個(gè)進(jìn)程的在其地址空間中的修改都不會影響到另外一個(gè)進(jìn)程。

　　2.不同的是：在UNIX中，子進(jìn)程的初始地址空間是父進(jìn)程的一個(gè)副本，提示：子進(jìn)程和父進(jìn)程是可以有只讀的共享內(nèi)存區(qū)的。但是對于windows系統(tǒng)來說，從一開始父進(jìn)程與子進(jìn)程的地址空間就是不同的。

2.6 進(jìn)程的終止

　　1. 正常退出（自愿，如用戶點(diǎn)擊交互式頁面的叉號，或程序執(zhí)行完畢調(diào)用發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）

　　2. 出錯(cuò)退出（自愿，python a.py中a.py不存在）

　　3. 嚴(yán)重錯(cuò)誤（非自愿，執(zhí)行非法指令，如引用不存在的內(nèi)存，1/0等，可以捕捉異常，try...except...）

　　4. 被其他進(jìn)程殺死（非自愿，如kill -9）

2.7 進(jìn)程的層次結(jié)構(gòu)

　　無論UNIX還是windows，進(jìn)程只有一個(gè)父進(jìn)程，不同的是：

　　1. 在UNIX中所有的進(jìn)程，都是以init進(jìn)程為根，組成樹形結(jié)構(gòu)。父子進(jìn)程共同組成一個(gè)進(jìn)程組，這樣，當(dāng)從鍵盤發(fā)出一個(gè)信號時(shí)，該信號被送給當(dāng)前與鍵盤相關(guān)的進(jìn)程組中的所有成員。

　　2. 在windows中，沒有進(jìn)程層次的概念，所有的進(jìn)程都是地位相同的，唯一類似于進(jìn)程層次的暗示，是在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，父進(jìn)程得到一個(gè)特別的令牌（稱為句柄）,該句柄可以用來控制子進(jìn)程，但是父進(jìn)程有權(quán)把該句柄傳給其他子進(jìn)程，這樣就沒有層次了。
回到頂部

2.8 進(jìn)程的狀態(tài)

　　tail -f access.log |grep '404'

　　執(zhí)行程序tail，開啟一個(gè)子進(jìn)程，執(zhí)行程序grep，開啟另外一個(gè)子進(jìn)程，兩個(gè)進(jìn)程之間基于管道'|'通訊，將tail的結(jié)果作為grep的輸入。

　　進(jìn)程grep在等待輸入（即I/O）時(shí)的狀態(tài)稱為阻塞，此時(shí)grep命令都無法運(yùn)行

　　其實(shí)在兩種情況下會導(dǎo)致一個(gè)進(jìn)程在邏輯上不能運(yùn)行，

　　1. 進(jìn)程掛起是自身原因，遇到I/O阻塞，便要讓出CPU讓其他進(jìn)程去執(zhí)行，這樣保證CPU一直在工作

　　2. 與進(jìn)程無關(guān)，是操作系統(tǒng)層面，可能會因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程占用時(shí)間過多，或者優(yōu)先級等原因，而調(diào)用其他的進(jìn)程去使用CPU。

　　因而一個(gè)進(jìn)程由三種狀態(tài)

2.9 進(jìn)程并發(fā)的實(shí)現(xiàn)

　　進(jìn)程并發(fā)的實(shí)現(xiàn)在于，硬件中斷一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程，把此時(shí)進(jìn)程運(yùn)行的所有狀態(tài)保存下來，為此，操作系統(tǒng)維護(hù)一張表格，即進(jìn)程表（process table），每個(gè)進(jìn)程占用一個(gè)進(jìn)程表項(xiàng)（這些表項(xiàng)也稱為進(jìn)程控制塊）

　　該表存放了進(jìn)程狀態(tài)的重要信息：程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、內(nèi)存分配狀況、所有打開文件的狀態(tài)、帳號和調(diào)度信息，以及其他在進(jìn)程由運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)或阻塞態(tài)時(shí)，必須保存的信息，從而保證該進(jìn)程在再次啟動時(shí)，就像從未被中斷過一樣。

3、線程

3.1 什么是線程　　

　　在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)地址空間，而且默認(rèn)就有一個(gè)控制線程

　　線程顧名思義，就是一條流水線工作的過程，一條流水線必須屬于一個(gè)車間，一個(gè)車間的工作過程是一個(gè)進(jìn)程

車間負(fù)責(zé)把資源整合到一起，是一個(gè)資源單位，而一個(gè)車間內(nèi)至少有一個(gè)流水線流水線的工作需要電源，電源就相當(dāng)于cpu

　　所以，進(jìn)程只是用來把資源集中到一起（進(jìn)程只是一個(gè)資源單位，或者說資源集合），而線程才是cpu上的執(zhí)行單位。

　　多線程（即多個(gè)控制線程）的概念是，在一個(gè)進(jìn)程中存在多個(gè)控制線程，多個(gè)控制線程共享該進(jìn)程的地址空間，相當(dāng)于一個(gè)車間內(nèi)有多條流水線，都共用一個(gè)車間的資源。

例如，北京地鐵與上海地鐵是不同的進(jìn)程，而北京地鐵里的13號線是一個(gè)線程，北京地鐵所有的線路共享北京地鐵所有的資源，比如所有的乘客可以被所有線路拉。

　　創(chuàng)建進(jìn)程的開銷要遠(yuǎn)大于線程？

如果我們的軟件是一個(gè)工廠，該工廠有多條流水線，流水線工作需要電源，電源只有一個(gè)即cpu（單核cpu）

一個(gè)車間就是一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)車間至少一條流水線（一個(gè)進(jìn)程至少一個(gè)線程）

創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，就是創(chuàng)建一個(gè)車間（申請空間，在該空間內(nèi)建至少一條流水線）

而建線程，就只是在一個(gè)車間內(nèi)造一條流水線，無需申請空間，所以創(chuàng)建開銷小

進(jìn)程之間是競爭關(guān)系，線程之間是協(xié)作關(guān)系？

車間直接是競爭/搶電源的關(guān)系，競爭（不同的進(jìn)程直接是競爭關(guān)系，是不同的程序員寫的程序運(yùn)行的，迅雷搶占其他進(jìn)程的網(wǎng)速，360把其他進(jìn)程當(dāng)做病毒干死）

一個(gè)車間的不同流水線式協(xié)同工作的關(guān)系（同一個(gè)進(jìn)程的線程之間是合作關(guān)系，是同一個(gè)程序?qū)懙某绦騼?nèi)開啟動，迅雷內(nèi)的線程是合作關(guān)系，不會自己干自己）

3.2 為何要用多線程

　　多線程指的是，在一個(gè)進(jìn)程中開啟多個(gè)線程，簡單的講：如果多個(gè)任務(wù)共用一塊地址空間，那么必須在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)開啟多個(gè)線程。詳細(xì)的講分為4點(diǎn)：

1. 多線程共享一個(gè)進(jìn)程的地址空間2. 線程比進(jìn)程更輕量級，線程比進(jìn)程更容易創(chuàng)建可撤銷，在許多操作系統(tǒng)中，創(chuàng)建一個(gè)線程比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程要快10-100倍，在有大量線程需要動態(tài)和快速修改時(shí)，這一特性很有用3. 若多個(gè)線程都是cpu密集型的，那么并不能獲得性能上的增強(qiáng)，但是如果存在大量的計(jì)算和大量的I/O處理，擁有多個(gè)線程允許這些活動彼此重疊運(yùn)行，從而會加快程序執(zhí)行的速度。4. 在多cpu系統(tǒng)中，為了最大限度的利用多核，可以開啟多個(gè)線程（比開進(jìn)程開銷要小的多）

3.3 多線程的應(yīng)用舉例

開啟一個(gè)字處理軟件進(jìn)程，該進(jìn)程肯定需要辦不止一件事情，比如監(jiān)聽鍵盤輸入，處理文字，定時(shí)自動將文字保存到硬盤，這三個(gè)任務(wù)操作的都是同一塊數(shù)據(jù)，因而不能用多進(jìn)程。只能在一個(gè)進(jìn)程里并發(fā)地開啟三個(gè)線程,如果是單線程，那就只能是，鍵盤輸入時(shí)，不能處理文字和自動保存，自動保存時(shí)又不能輸入和處理文字。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的进程与线程理论基础的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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