进程与线程

一、什么是进程(Process)

✅定义

进程是操作系统资源分配的最小单位，是一个正在运行的程序实例。

一个程序在执行时，操作系统会为它分配专属的资源（内存、文件描述符、CPU 时间等），这个资源集合 $+$ 执行状态就组成了一个进程。

✅组成结构

一个进程通常包括：

组成部分	描述
程序代码	可执行指令
数据段	全局变量、静态变量等
堆(Heap)	动态分配内存(如 malloc/new)
栈(Stack)	函数调用、局部变量、返回地址等
PCB(进程控制块)	操作系统内保存该进程的元信息

✅进程的生命周期（状态图）

状态	描述
新建	正在创建中的进程
就绪	等待被调度运行
执行	正在CPU上执行
阻塞	等待事件（如IO、信号）
终止	执行完成或被杀死

二、什么是线程(Thread)

✅定义

线程是系统调度的最小单位，是程序的一个执行流。

一个线程属于某个进程。多个线程共享进程的资源，但每个线程也有自己的执行状态。也称为轻量级进程（LWP: Lightweight Process）。

✅每个线程独有的资源

• 程序计数器(PC)
• 寄存器
• 堆栈(Stack)

✅多个线程共享的资源

• 代码段
• 数据段
• 堆
• 文件描述符等

三、进程 vs 线程对比

	进程	线程
基本概念	独立的运行单位，资源分配和拥有的基本单位	程序执行的基本单位，进程中的执行单位
内存空间	拥有独立的内存空间	共享进程的内存空间
系统开销	创建/切换开销较大	创建/切换开销较小
通信方式	进程间通信较复杂，需要借助操作系统	同一进程内通信非常简单，可以直接读写进程数据段
稳定性	稳定性高，一个进程崩溃不影响其他进程	稳定性低，一个线程崩溃可能影响整个进程

为什么操作系统需要“线程”？

• 提高并发性：线程可以在多核 $CPU$ 上并行执行，提高系统效率。
• 资源利用率高：多个线程共享资源，减少冗余。
• 响应更快：比如点击按钮后，界面不卡顿，因为有专门的线程处理用户输入。

四、进程与线程的调度机制

操作系统中，调度是关键。它决定哪个任务被 CPU 执行。

1.时间片轮转调度(Round-Robin)

• 每个进程/线程获得一段时间
• 时间到就切换

2.抢占式调度

• 高优先级任务会中断低优先级任务

3.非抢占式调度

• 直到任务完成/放弃控制权才切换

4.多级反馈队列调度(MLFQ)

• 根据行为调整优先级，响应快又能防饿死

五、线程模型与实现方式

1.用户级线程(User-Level Thread)

• 线程由用户库管理（非操作系统）
• 切换快，不依赖内核
• 缺点：一个线程阻塞，整个进程阻塞

2.内核级线程(Kernel-Level Thread)

• 线程由操作系统内核调度
• 真正的并行性（适配多核）
• 切换慢，开销大

3.混合模型(Hybrid Model)

• 常见于现代系统，如Linux/NPTL
• 用户管理线程池，内核调度轻量线程

六、进程间通信(IPC)

由于进程是独立内存空间，需要借助操作系统机制来通信。

常见IPC方式如下：

方式	特点	举例用途
管道(Pipe)	父子进程通信，单向	shell管道
命名管道(FIFO)	不相关进程通信，路径命名	系统服务通信
消息队列	操作系统维护消息缓冲区	多任务控制中心
信号量(Semaphore)	同步或互斥控制	控制访问共享资源
共享内存	内存共享，最快，但需同步手段	视频共享、数据库缓存
套接字(Socket)	网络/本地通信通用，最灵活	客户端-服务端模型
信号(Signal)	异步事件通知	kill、闹钟

七、进程与线程的世纪应用

场景	使用方式
Web服务器	多线程响应请求
浏览器	每个标签页一个进程
视频播放器	解码线程 + 播放线程 + 渲染线程
操作系统自身	守护进程(Process) + 内核线程(Thread)
数据库系统	线程池处理查询请求

八、线程/进程可能遇到的问题

1.竞态条件(Race Condition)

• 多线程同时访问数据，未加锁导致数据混乱

2.死锁(Deadlock)

• 线程 $A$ 等线程 $B$ 的资源，$B$ 又等 $A$，互相卡死

3.活锁/饥饿

• 一直被抢占或让出，永远得不到执行机会

4.创建过多线程

• 比如每个连接都开线程，系统资源耗尽