进程与线程的区别是什么?

沉默王二2022年3月23日
大约 9 分钟

进程与线程的区别是什么?

进程的产生

最初的计算机只能接受一些特定的指令,用户每输入一个指令,计算机就做出一个操作。当用户在思考或者输入时,计算机就在等待。这样效率非常低下,在很多时候,计算机都处在等待状态。

批处理操作系统

后来有了批处理操作系统,把一系列需要操作的指令写下来,形成一个清单,一次性交给计算机。用户将多个需要执行的程序写在磁带上,然后交由计算机去读取并逐个执行这些程序,并将输出结果写在另一个磁带上。

批处理操作系统在一定程度上提高了计算机的效率,但是由于批处理操作系统的指令运行方式仍然是串行的,内存中始终只有一个程序在运行,后面的程序需要等待前面的程序执行完成后才能开始执行,而前面的程序有时会由于I/O操作、网络等原因阻塞,所以批处理操作效率也不高

进程的提出

人们对于计算机的性能要求越来越高,现有的批处理操作系统并不能满足人们的需求,而批处理操作系统的瓶颈在于内存中只存在一个程序,那么内存中能不能存在多个程序呢?这是人们亟待解决的问题。

于是,科学家们提出了进程的概念。

进程就是应用程序在内存中分配的空间,也就是正在运行的程序,各个进程之间互不干扰。同时进程保存着程序每一个时刻运行的状态。

程序:用某种编程语言(java、python等)编写,能够完成一定任务或者功能的代码集合,是指令和数据的有序集合,是一段静态代码

此时,CPU采用时间片轮转的方式运行进程:CPU为每个进程分配一个时间段,称作它的时间片。如果在时间片结束时进程还在运行,则暂停这个进程的运行,并且CPU分配给另一个进程(这个过程叫做上下文切换)。如果进程在时间片结束前阻塞或结束,则CPU立即进行切换,不用等待时间片用完。

当进程暂停时,它会保存当前进程的状态(进程标识,进程使用的资源等),在下一次切换回来时根据之前保存的状态进行恢复,接着继续执行。

使用进程+CPU时间片轮转方式的操作系统,在宏观上看起来同一时间段执行多个任务,换句话说,进程让操作系统的并发成为了可能。虽然并发从宏观上看有多个任务在执行,但在事实上,对于单核CPU来说,任意具体时刻都只有一个任务在占用CPU资源。

对操作系统的要求进一步提高

虽然进程的出现,使得操作系统的性能大大提升,但是随着时间的推移,人们并不满足一个进程在一段时间只能做一件事情,如果一个进程有多个子任务时,只能逐个得执行这些子任务,很影响效率。

比如杀毒软件在检测用户电脑时,如果在某一项检测中卡住了,那么后面的检测项也会受到影响。或者说当你使用杀毒软件中的扫描病毒功能时,在扫描病毒结束之前,无法使用杀毒软件中清理垃圾的功能,这显然无法满足人们的要求。

线程的提出

那么能不能让这些子任务同时执行呢?于是人们又提出了线程的概念,让一个线程执行一个子任务,这样一个进程就包含了多个线程,每个线程负责一个单独的子任务。

使用线程之后,事情就变得简单多了。当用户使用扫描病毒功能时,就让扫描病毒这个线程去执行。同时,如果用户又使用清理垃圾功能,那么可以先暂停扫描病毒线程,先响应用户的清理垃圾的操作,让清理垃圾这个线程去执行。响应完后再切换回来,接着执行扫描病毒线程。

注意:操作系统是如何分配时间片给每一个线程的,涉及到线程的调度策略,有兴趣的同学可以看一下《操作系统》,本文不做深入详解。

总之,进程和线程的提出极大的提高了操作系统的性能。进程让操作系统的并发性成为了可能,而线程让进程的内部并发成为了可能。

多进程的方式也可以实现并发,为什么我们要使用多线程?

多进程方式确实可以实现并发,但使用多线程,有以下几个好处:

  • 进程间的通信比较复杂,而线程间的通信比较简单,通常情况下,我们需要使用共享资源,这些资源在线程间的通信比较容易。
  • 进程是重量级的,而线程是轻量级的,故多线程方式的系统开销更小。

进程和线程的区别

进程是一个独立的运行环境,而线程是在进程中执行的一个任务。他们两个本质的区别是是否单独占有内存地址空间及其它系统资源(比如I/O)

  • 进程单独占有一定的内存地址空间,所以进程间存在内存隔离,数据是分开的,数据共享复杂但是同步简单,各个进程之间互不干扰;而线程共享所属进程占有的内存地址空间和资源,数据共享简单,但是同步复杂。

  • 进程单独占有一定的内存地址空间,一个进程出现问题不会影响其他进程,不影响主程序的稳定性,可靠性高;一个线程崩溃可能影响整个程序的稳定性,可靠性较低。

  • 进程单独占有一定的内存地址空间,进程的创建和销毁不仅需要保存寄存器和栈信息,还需要资源的分配回收以及页调度,开销较大;线程只需要保存寄存器和栈信息,开销较小。

另外一个重要区别是,进程是操作系统进行资源分配的基本单位,而线程是操作系统进行调度的基本单位,即CPU分配时间的单位 。

线程带来的好处

一直以来,硬件的发展极其迅速,也有一个很著名的"摩尔定律",可能会奇怪明明讨论的是并发编程为什么会扯到了硬件的发展,这其中的关系应该是多核CPU的发展为并发编程提供的硬件基础。

摩尔定律并不是一种自然法则或者是物理定律,它只是基于认为观测数据后,对未来的一种预测。按照所预测的速度,我们的计算能力会按照指数级别的速度增长,不久以后会拥有超强的计算能力,正是在畅想未来的时候,2004年,Intel宣布4GHz芯片的计划推迟到2005年,然后在2004年秋季,Intel宣布彻底取消4GHz的计划,也就是说摩尔定律的有效性超过了半个世纪戛然而止。但是,聪明的硬件工程师并没有停止研发的脚步,他们为了进一步提升计算速度,而不是再追求单独的计算单元,而是将多个计算单元整合到了一起,也就是形成了多核CPU。

短短十几年的时间,家用型CPU,比如Intel i7就可以达到4核心甚至8核心。而专业服务器则通常可以达到几个独立的CPU,每一个CPU甚至拥有多达8个以上的内核。因此,摩尔定律似乎在CPU核心扩展上继续得到体验。因此,多核的CPU的背景下,催生了并发编程的趋势,通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致,性能得到提升

顶级计算机科学家Donald Ervin Knuth如此评价这种情况:在我看来,这种现象(并发)或多或少是由于硬件设计者无计可施了导致的,他们将摩尔定律的责任推给了软件开发者。

另外,在特殊的业务场景下先天的就适合于并发编程。比如在图像处理领域,一张1024X768像素的图片,包含达到78万6千多个像素。即时将所有的像素遍历一边都需要很长的时间,面对如此复杂的计算量就需要充分利用多核的计算的能力。又比如当我们在网上购物时,为了提升响应速度,需要拆分,减库存,生成订单等等这些操作,就可以进行拆分利用多线程的技术完成。面对复杂业务模型,并行程序会比串行程序更适应业务需求,而并发编程更能吻合这种业务拆分 。正是因为这些优点,使得多线程技术能够得到重视,也是一名CS学习者应该掌握的:

  • 充分利用多核CPU的计算能力;
  • 方便进行业务拆分,提升应用性能

编辑:沉默王二,内容大部分来源以下三个开源仓库:


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