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操作系统笔记

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进程、线程和协程之间的区别和联系

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一、进程

  进程,直观点说,保存在硬盘上的程序运行以后,会在内存空间里形成一个独立的内存体,这个内存体有自己独立的地址空间,有自己的堆,上级挂靠单位是操作系统。操作系统会以进程为单位,分配系统资源(CPU时间片、内存等资源),进程是资源分配的最小单位

【进程间通信(IPC)】:

  • 管道(Pipe)、命名管道(FIFO)、消息队列(Message Queue) 、信号量(Semaphore) 、共享内存(Shared Memory);套接字(Socket)。

二、线程

  线程,有时被称为轻量级进程(Lightweight Process,LWP),是操作系统调度(CPU调度)执行的最小单位

三、进程和线程的区别与联系

【区别】:

  • 调度线程作为调度和分配的基本单位,进程作为拥有资源的基本单位

  • 并发性不仅进程之间可以并发执行,同一个进程的多个线程之间也可并发执行

  • 拥有资源进程是拥有资源的一个独立单位,线程不拥有系统资源,但可以访问隶属于进程的资源。进程所维护的是程序所包含的资源(静态资源), 如:地址空间,打开的文件句柄集,文件系统状态,信号处理handler等;线程所维护的运行相关的资源(动态资源),如:运行栈,调度相关的控制信息,待处理的信号集等

  • 系统开销:在创建或撤消进程时,由于系统都要为之分配和回收资源,导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。但是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,一个进程死掉就等于所有的线程死掉,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

【联系】:

  • 一个线程只能属于一个进程,而一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程

  • 资源分配给进程,同一进程的所有线程共享该进程的所有资源;

  • 处理机分给线程,即真正在处理机上运行的是线程

  • 线程在执行过程中,需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

四、一个形象的例子解释进程和线程的区别

  这副图是一个双向多车道的道路图,假如我们把整条道路看成是一个“进程”的话,那么图中由白色虚线分隔开来的各个车道就是进程中的各个“线程”了

  • 这些线程(车道)共享了进程(道路)的公共资源(土地资源)

  • 这些线程(车道)必须依赖于进程(道路),也就是说,线程不能脱离于进程而存在(就像离开了道路,车道也就没有意义了)

  • 这些线程(车道)之间可以并发执行(各个车道你走你的,我走我的),也可以互相同步(某些车道在交通灯亮时禁止继续前行或转弯,必须等待其它车道的车辆通行完毕)

  • 这些线程(车道)之间依靠代码逻辑(交通灯)来控制运行,一旦代码逻辑控制有误(死锁,多个线程同时竞争唯一资源),那么线程将陷入混乱,无序之中

  • 这些线程(车道)之间谁先运行是未知的,只有在线程刚好被分配到CPU时间片(交通灯变化)的那一刻才能知道。

五、进程/线程之间的亲缘性

  亲缘性的意思是进程/线程只在某个cpu上运行(多核系统),比如:

BOOL WINAPI SetProcessAffinityMask(
  _In_ HANDLE    hProcess,
  _In_ DWORD_PTR dwProcessAffinityMask
);
/*
dwProcessAffinityMask 如果是 0 , 代表当前进程只在cpu0 上工作;
如果是 0x03 , 转为2进制是 00000011 . 代表只在 cpu0 或 cpu1上工作;
*/

  使用CPU亲缘性的好处:设置CPU亲缘性是为了防止进程/线程在CPU的核上频繁切换,从而避免因切换带来的CPU的L1/L2 cache失效,cache失效会降低程序的性能。

六、协程


  协程,是一种比线程更加轻量级的存在,协程不是被操作系统内核所管理,而完全是由程序所控制(也就是在用户态执行)。这样带来的好处就是性能得到了很大的提升,不会像线程切换那样消耗资源。

  子程序,或者称为函数,在所有语言中都是层级调用,比如A调用B,B在执行过程中又调用了C,C执行完毕返回,B执行完毕返回,最后是A执行完毕。所以子程序调用是通过栈实现的,一个线程就是执行一个子程序。子程序调用总是一个入口,一次返回,调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。

  协程在子程序内部是可中断的,然后转而执行别的子程序,在适当的时候再返回来接着执行

def A():
    print '1'
    print '2'
    print '3'

def B():
    print 'x'
    print 'y'
    print 'z'

  假设由协程执行,在执行A的过程中,可以随时中断,去执行B,B也可能在执行过程中中断再去执行A,结果可能是:1 2 x y 3 z

  协程的特点在于是一个线程执行,那和多线程比,协程有何优势?

  • 极高的执行效率:因为子程序切换不是线程切换,而是由程序自身控制,因此,没有线程切换的开销,和多线程比,线程数量越多,协程的性能优势就越明显;

  • 不需要多线程的锁机制:因为只有一个线程,也不存在同时写变量冲突,在协程中控制共享资源不加锁,只需要判断状态就好了,所以执行效率比多线程高很多。