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[系统运维]程序、进程、线程的区别与联系

  2016-04-02 21:00:37

程序并不能单独执行,只有将程序加载到内存中,系统为他分配资源后才能够执行,这种执行的程序称之为进程,也就是说进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位,每个进程都有自己单独的地址空间。所以说程序与进程的区别在于,程序是指令的集合,是进程运行的静态描述文本,而进程则是程序在系统上顺序执行时的动态活动。
但是进程存在着很多缺陷,主要集中在两点:
(1).进程只能在同一时间干一件事情,如果想同时干两件事或多件事情,进程就无能为力了。
(2).进程在执行的过程中如果由于某种原因阻塞了,例如等待输入,整个进程就会挂起,其他与输入无关的工作也必须等待输入结束后才能顺序执行。
为了解决上述两点缺陷,引入了线程这个概念。
线程是进程的一个实体,也是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位,有时又被称为轻权进程或轻量级进程,相对进程而言,线程是一个更加接近于执行体的概念,进程在执行过程中拥有独立的内存单元,而线程自己基本上不拥有系统资源,也没有自己的地址空间,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),线程的改变只代表了 CPU 执行过程的改变,而没有发生进程所拥有的资源变化。除了CPU 之外,计算机内的软硬件资源的分配与线程无关,但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。
进程和线程的主要差别在于操作系统并没有将多个线程看作多个独立的应用,来实现进程的调度和管理以及资源分配。进程有独立的地址空间,一个进程崩溃后,在保护模式下不会对其它进程产生影响,而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量,但线程之间没有单独的地址空间,一个线程死掉就等于整个进程死掉,所以多进程的程序要比多线程的程序健壮,但在进程切换时,耗费资源较大,效率要差一些,对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作,只能用线程,不能用进程,每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口,但是线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
最后附一篇材料,以图的方式将进程和线程做了很好的类比:

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。

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

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。

一个车间里,可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
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2016-04-02 21:00:29  
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