【操作系统】进程和线程基础

思维导图：

1.计算机是如何工作：

1. 现在的计算机大部分都还遵守着冯诺依曼体系
2. 计算机由CPU、存储器（内存和外存）、输入设备和输出设备组成。CPU是计算机中最核心的部分负责算术运算和逻辑的判断。存储器用于存储数据采用二进制的形式存储。
3. 而CPU最核心的指标是主频；例如：有的电脑的主频是2.69GHz表示1秒钟执行26.9亿个时钟周期，近似看成是1秒执行多少个指令。时钟周期的存在是为了CPU内部相互配合一齐发力，每个时间周期里都会有一些工作被完成。
4. 可执行文件(.exe结尾的文件)是存储在硬盘上的，双击打开时就会将文件加载到内存上，这个文件包含了程序要执行的指令和指令依赖的数据。
5. CPU需要把指令读取到CPU中（CPU内部也有能够存储数据的结构叫做寄存器）；下一步CPU要解析指令，最后执行指令。简单的认为这3个操作都是至少要消耗1个时钟周期。程序执行的过程：硬盘-->内存-->CPU-->解析指令-->执行指令。

2.操作系统的组成部分：

1. 操作系统可以简单理解为搞管理的软件，操作系统的基本功能有：对下管理各种硬件，对上给各种软件提供稳定的运行环境。

3.进程：

1. 进程也叫任务，一个运行起来的程序就是进程。进程是操作系统分配资源的基本单位。可执行的文件只有双击执行时才会生成一个进程，不双击就不会执行。操作系统会把这个可执行文件的核心数据加载到内存里并且在系统中生成一个进程。
2. 在同一时刻系统中的进程有很多，这时操作系统就得把这些分配好，就涉及到管理。管理进程分为俩个部分，一是描述：详细的表示清楚一个进程中有哪些属性或者信息，用结构体来描述，结构体（PCB进程控制块）里面包含了进程的各种信息。二是，组织：通过数据结构中的双向链表把若干个用来描述的实体组合在一起进行增删查改。
3. 创建一个进程，本质上就是创建一个PCB，并且加入到链表中；销毁一个进程本质上就是从链表上删除对应的PCB节点；而查看任务管理器的进程列表就是在遍历链表。
4. 一个进程可能是一个PCB，也可能是多个；系统这里管理的PCB链表也不一定是一个。
5. PCB中有什么关键的要素： 1.pid，进程的身份标识 一个主机在同一时刻，这些pid都是唯一的，通过pid可以区分一个进程2.内存指针，一个可执行文件运行时，系统会把核心数据加载到内存中 用来记录哪块内存是干什么的，描述进程持有的 内存资源3.文件描述符表，每个进程都可以打开一些文件（文件是存储在硬盘上的） 文件描述符表里面记录了当前的进程都打开了哪些文件，描述进程持有的 文件资源 下面一组属性都是和“进程调度”有关系的：4.进程状态，提前排好顺序，根据现在的状态来规划 分为随叫随到（就绪状态）：就绪状态的进程才能在CPU上运行 不能随叫随到（阻塞状态）：阻塞状态的进程无法被调度到CPU上执行5.进程优先级，调度的时候根据优先级来给进程安排时间，喜欢就排多一点6.进程上下文，进程在CPU上执行了一会要切换给别的进程，就要保存当前的运行结果， 下次再调度时就恢复。 对于进程来说，上下文就是CPU中寄存器的值，需要把这些结果保存到PCB的上下文信息中7.进程记账信息，每个进程再CPU上执行了多久，更加的均衡不至于某些进程分不到CPU 在上述基础之上就可以完成进程调度了
6. 虚拟内存空间，让每个进程都有各自的内存空间活动范围，不能让这些进程的活动范围重叠。注意这不是真实的内存地址，通过专门的设备MMU来完成虚拟地址到物理地址之间的映射。虽然进程稳定了但是隔离性提高，此时进程之间就很难交互了，因此又引入了进程间通信。
7. 进程是操作系统中的核心概念！通过PCB描述和双向链表的组织来管理进程。进程存在的意义就是让操作系统可以同时执行多个任务，实现“并发编程”的效果。

4.线程：

1. 虽然多进程已经实现了并发编程，但是频繁的创建或销毁进程就比较低效，这时就发明了线程。进程的创建：先创建PCB；再给进程分配资源（内存和文件），赋值到PCB中；最后把PCB插入到链表里。销毁进程：先把PCB从链表上删除；再把PCB中持有的资源释放；最后销毁PCB。分配资源对于操作系统来说是一件比较麻烦的事。
2. 线程是被包含在进程中的，一个进程默认会有一个线程，也可以有多个线程，每个线程都是一个执行流，可以单独在CPU上进行调度，同一个进程中的这些线程共用同一份系统资源（内存和文件）。
3. 线程也叫做轻量级进程，创建线程的开销比创建进程小，销毁线程的开销比销毁进程小。
4. 使用多线程能够充分利用上多核CPU，提高效率。只是创建第一个线程的时候需要申请资源，后续在创建新的线程都是共用一份资源，节省了申请资源的开销。销毁线程的时候也只是销毁到最后一个的时候才真正的释放资源，在前面的线程销毁都没有真正释放资源。
5. 操作系统内核是通过PCB来描述进程的，更准确的说法是一组PCB来描述进程，每个PCB对应一个线程。一个进程可以有多个线程，至少有一个。这一组PCB上的内存指针和文件描述符表其实是同一份东西，而状态、上下文和记账信息则是每个PCB（每个线程）自己有一份。
6. 进程是资源分配的基本单位，线程是调度执行的基本单位。
7. 多线程中线程的数目不是越多越好，当线程数达到一定程度的时候CPU核心数已经被吃满了，反而会造成线程调度开销太大，影响效率。如果某个线程发生了意外，此时可能把整个进程整垮。如果俩个线程同时修改一个变量，容易造成线程不安全的问题。

5.进程和线程的区别：

1. 进程包含了线程。
2. 线程比进程更轻量，创建更快，销毁也更快。
3. 同一个进程的多个线程之间共用同一份内存和文件资源，进程和进程之间则是独立的内存和文件资源。（线程比进程创建更快，销毁也更快的原因）
4. 进程是资源分配的基本单位，线程是调度执行的基本单位。

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