进程和线程

多进程和多线程#

定义

多进程

进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。
进程：经典定义是一个执行中的程序的实例。
进程与应用程序的区别：程序是一堆代码和数据的集合，可以作为目标模块存在于磁盘，或作为段存在于地址空间中。进程是程序的一次具体执行过程，它是动态地创建和消亡的，具有一定的生命周期，是暂时存在的。程序总是运行在某个进程的上下文中。

　　系统中每个程序都是运行在某个进程的上下文中的。上下文是由程序正确运行所需的状态组成，包括存放在存储器中的代码和数据、栈、通用目的寄存器的内容、程序计数器、环境变量和打开文件描述符的集合。进程给应用程序提供了两个关键抽象：

• 独立的逻辑控制流，提供程序独占处理器的假象。
• 私有的地址空间：进程为每一个程序提供它自己的私有地址空间，和这个空间中某地址相关联的存储器字节不能被其他进程读写。和私有地址空间关联的存储器内容一般不同，但空间有相同的结构，比如下图是x86Linux进程的地址空间的组织结构，这个私有的地址空间最上部是内核保留的，包含内核在代表进程执行指令时使用的代码、数据和栈。最下部是预留给用户程序的，包括通常的文本、数据、堆和栈。代码段始终是从0x08048000处开始（32位系统），0x00040000处开始（64位系统）。
  
  　　内核为每个进程维护一个上下文。上下文就是内核重新启动一个被抢占的进程所需的状态。它由一些对象的值组成，这些对象包括包含程序计数器、用户栈、状态寄存器等
  　　当调度进程时，使用一种称为上下文切换的机制来将控制转移到新的进程。上下文切换包括：
• 保存当前进程的上下文
• 恢复某个先前被抢占的进程的上下文
• 将控制传递给这个新恢复的进程

　　切换到另一个进程的时候，会载入已保存的对应于将要执行的进程的寄存器值，但是由于需要重新为高速缓存热身，会存在切换开销。

多进程优点:
1.每个进程互相独立，有独立的虚拟地址空间，子程序不影响主程序的稳定性，子进程崩溃没关系，比如谷歌浏览器；
2.尽量减少数据共享的安全问题和线程加锁/解锁的影响；
3.可用地址空间比较大，4GB(32位，2^32)，2^64(64位)。

缺点:
1.独立的地址空间使得进程间共享信息也很困难，必须使用显式的IPC(进程间通信)机制。
2.往往比较慢，因为创建销毁进程，系统都要为之分配和回收较多的资源，同时IPC的开销也比较大。

多线程

线程：线程(thread) 就是运行在进程上下文中的逻辑流。是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。每个线程都有它自己的线程上下文(thread context)，包括一个唯一的整数线程ID(Thread ID,TID)、栈、程序计数器和局部变量等。所有运行在该进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间，因此这个共享虚拟地址空间的整个内容，包括它的代码，数据，堆，共享库和打开的文件。

　　线程的上下文切换开销比进程小得多，也比进程的上下文切换快得多。和一个进程相关的线程组成一个线程池(pool)，独立于其他线程创建的线程。主线程和其他线程的区别仅仅是：他总是进程中第一个运行的线程。线程在Unix System V及SunOS中也被称为轻量进程(lightweight processes)，但轻量进程更多指内核线程(kernel thread)，而把用户线程(user thread)称为线程。

多线程优点：
1.同一进程下线程之间由于使用相同的地址空间，共享大部分数据，所以交换数据非常方便；
2.线程的创建销毁、切换都比较简单，速度较快。
3.使用多线程可以减少程序的响应时间。如果某个操作很耗时或者陷入长时间的等待，比如发送邮件，等待网络响应，在单线程下，此时程序不会响应鼠标和键盘等操作。使用多线程后，可以将耗时的操作分配到一个单独的线程后台执行，保证更好的交互体验。
4.发挥多处理器的强大能力。如果在程序中只有一个线程，那么最多同时只能在一个 处理器上运行。在双处理器系统上，单线程的程序只能使用一半的CPU资源，而在拥有100个 处理器的系统上，将有99%的资源无法使用。同时，对于单处理器系统，如果程序是单线程的，那么 当程序等待某个同步I/O操作完成时，处理器将处于空闲状态。而在多线程程序中，如果一个 线程在等待I/O操作完成，另一个线程可以继续运行，使程序能够在I/O阻塞期间继续运行。

缺点：
1.一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性；
2.线程之间的同步和加锁控制比较麻烦；
3.所有线程共用进程的地址空间，受限于4GB地址空间限制（32位），当然64位限制就会很小；

线程安全：一般说来，一个函数被称为线程安全的，当且仅当被多个并发线程反复调用时，它会一直产生正确的结果。
　　要确保函数线程安全，主要需要考虑的是线程之间的共享变量。属于同一进程的不同线程会共享进程内存空间中的全局区和堆，而私有的线程空间则主要包括栈、程序计数器。因此，对于同一进程的不同线程来说，每个线程的局部变量都是私有的，而全局变量、局部静态变量、分配于堆的变量都是共享的。在对这些共享变量进行访问时，如果要保证线程安全，一般通过加锁的方式。

使用场景

1)需要频繁创建销毁的优先用线程。
实例：web服务器。来一个建立一个线程，断了就销毁线程。要是用进程，创建和销毁的代价是很难承受的。
2）需要进行大量计算的优先使用线程。
所谓大量计算，当然就是要消耗很多cpu资源，为最大限度利用cpu，并且交换数据方便，这种情况选线程是最合适的。
实例：图像处理、算法处理
3）强相关的处理用线程，弱相关的处理用进程。
什么叫强相关、弱相关？理论上很难定义，给个简单的例子就明白了。
一般的server需要完成如下任务：消息收发和消息处理。消息收发和消息处理就是弱相关的任务，而消息处理里面可能又分为消息解码、业务处理，这两个任务相对来说相关性就要强多了。因此消息收发和消息处理可以分进程设计，消息解码和业务处理可以分线程设计。
4）可能扩展到多机分布的用进程，多核分布的用线程。
5）都满足需求的情况下，用你最熟悉、最拿手的方式。

联系

1. 一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。
2. 一个线程可以创建和销毁另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。
3. 每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在进程中，同样由内核调度。

linux下进程间通信IPC的几种主要手段简介：

• 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
• 信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；
• 报文队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列，system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
• 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
• 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。

Chrome浏览器：
采用独立进程设计，浏览器、标签页、插件和扩展都是独立进程，所以Chrome内核浏览器即使网页崩溃，其他功能都可以正常使用，整个浏览器也不会受到影响。为了安全、稳定、性能。

1、浏览器主进程
2、渲染进程：对页面的HTML、JavaScript和CSS等部分内容进行渲染，一般一个进程渲染一个站点的多个标签页
3、插件进程：浏览器中如AdobeFlash Player等插件的进程
4、扩展进程：各种用户自己添加的扩展程序，比如比较出名的Adblock Plus

多进程需要面对的问题包括:

1. 内存占用大，因为无法像多线程模型共享公共的内存开销，比如使用的库，或者某些全局的数据缓存等。
2. 进程间通讯的成本大。特别是使用共享内存交换数据的成本。
3. 进程启动的开销大。