【多线程】初识进程和线程

       

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前言

     在我们之前编写的所有代码，都只能用上一个核心。众所周知，现在大多数CPU都有多个核心，但此时，无论如法优化程序，最多也只有一个CPU核心在工作，其它的核心都空闲着，就容易出现所谓一核有难，多核围观的窘况。这时可以通过一些代码，把多个CPU核心都利用起来，提高运行效率，这样的编程就被称为“并发编程”。而提到并发编程就离不开多进程编程和多线程编程了。这篇文章就让我们先来认识一下进程与线程吧👀

一、进程

1、概念

        进程是计算机中正在运行的程序的实例。它是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。每个进程都有自己的内存空间、代码、数据和执行状态。进程可以独立运行，相互之间不会干扰。操作系统可以同时运行多个进程，通过分配时间片轮流执行它们，从而实现多任务处理。进程可以与其他进程进行通信和协作，共享资源和数据。

像上图中显示的就是正在运行的程序，也就是一个个系统分配的进程

2、特性

进程的特性：

动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
结构特征：进程由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成;

3、组织形式

一个可执行程序，运行的时候，操作系统就会创建进程，给这个程序分配各种系统资源（CPU，内存，硬盘，网络带宽等……），所谓的进程，在系统中是通过PCB（process control block）这样的结构体来描述的，通过双显链表的形式来组织，简单来说就是“先描述，再组织”的形式

描述进程：使用PCB结构体描述进程的各种属性

操作系统会进行两步：

• 为该进程创建对应的PCB对象
• 将该进程的代码和数据加载在内存中

PCB就相当于是进程属性的集合，主要描述了以下属性：

• 标示符PID:    描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程
• 状态:    任务状态，退出代码，退出信号等。
• 优先级:    相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器`:    程序中即将被执行的下一条指令的地址。
• 内存指针:    包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
• 上下文数据:    进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
• I／O状态信息:    包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O设备和被进程使用的文件列表。
• 记账信息:    可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。
• 组织进程：通过双显链表，将各进程的PCB串联起来

通过PCB，操作系统就可以更好地去管理各个进程，操作时不需要获取整个进程，只需获取描述进程的PCB对象，就可以找到相对应的代码与数据，从而大幅节省空间开销，提高效率。

二、线程

        虽然多进程方式能够实现并发编程，但是效率要求的提高，就希望有更好的方式来实现。多进程编程最大的问题就是太“重”了，创建进程和销毁进程的空间开销与时间开销都比较大，一旦需求场景中需要频繁创建销毁进程时，效率就非常低了。为了解决进程开销较大的问题，就发明了相对轻量化的线程

线程比进程更加轻量化，主要是因为创建线程，省去了“分配资源”的过程，销毁线程，也省去了“释放资源”的过程。

一旦进程创建，同时就会创建好第一个线程，并分配好系统资源，后续该进程创建更多线程时，就不需要再分配资源了。

        举个例子，假设系统要执行的任务是吃掉100块肉，这时系统就会创建一个进程，并为这个进程分配一定资源，我们这里看作是为任务执行而开辟了一个“房间”，然后这个进程会创建一个线程“路飞”来真正去完成工作，也就是说实际上真正完成工作的是线程，进程是为线程工作提供了一定资源，图中类比为了一个房间

        这时我们就有两种方法来提高工作效率，第一种，系统在开辟一个“房间”，这时每个房间要吃的肉的数量就变少了，又因为每个进程的工作是独立且并行的，每个进程的工作量减少，总的工作效率也就提升了，这就是多进程编程的原理：

        但是，创建一个新的“房间”的开销是很大的，所以，为了提高效率，我们可以在一个房间里放入多个“路飞”来完成工作，这些“路飞”在同一个“房间”工作，共用同一份资源，同时去吃桌上的肉，这样每个“路飞”所需要吃的肉大幅减少，又因为他们可以看作是同时去吃的，总的效率就能提升很多了，这便是多线程编程的原理：

但是，只有靠近桌子的“路飞”才能吃上肉，桌子的大小是有限的（进程资源有限），随着“路飞”数量的增加，可能会有大量“路飞”（线程）靠近不了桌子（分配不到资源），从而无法进行工作，造成线程的闲置，这时，再一味地增加线程就不能够提高效率了，并且由于创建线程也是有开销的，此时过多的线程反而可能会降低运行效率。

因此，线程并不是越多越好的，在使用是一定要控制好线程数量

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三、进程与线程区别与关系

1、进程包含线程

一个进程可以有一个线程或者多个线程，但不能没有线程

2、进程是系统资源分配的基本单位，线程是系统调度执行的基本单位

3、同一份进程中的线程共用一份系统资源（内存，硬盘，网络带宽等……）

内存资源就是代码中定义的变量与对象，多个线程是可以是可以共用同一份变量的

4、线程是当下实现并发编程的主流方式，通过多线程可以更好地利用多核CPU，但线程并不是越多越好的，线程数目达到一定量后，已经充分利用了多核CPU的性能，此时在一味地增加线程数量，不但无法提高运行效率，反而可能还会影响效率，因为线程调度也是需要消耗资源的。

5、多个线程之间可能会互相影响，一个线程抛出异常会影响其它线程的正常运行，这会导致各种线程安全问题

6、多个进程之间，一般不会互相影响，一个进程崩了也不会影响其它进程，也被称为“进程的隔离性”

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总结

总之，比起以前写的程序，多线程编程的方法能更好地发挥多核CPU的性能，大幅提高运行效率，在将来工作中也是非常重要的。本篇文章我们主要简单介绍了进程与线程的关系与区别

那么本篇文章就到此为止了，如果觉得这篇文章对你有帮助的话，可以点一下关注和点赞来支持作者哦。作者还是一个萌新，如果有什么讲的不对的地方欢迎在评论区指出，希望能够和你们一起进步✊