程序、进程、线程

1.程序、进程、线程简述

程序的基本概念

程序是含有指令和数据的文件,被存储在磁盘或其他的数据存储设备中,也就是说程序是静态的代码。

进程的基本概念

在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,此时它们将失去封闭性,并具有间断性及不可再现性的特征。为此引入了进程(Process) 的概念,以便更好地描述和控制程序的并发执行,实现操作系统的并发性和共享性(最基本的两个特性)。

为了使参与并发执行的程序(含数据)能独立地运行,必须为之配置一个专门的数据结构,称为进程控制块(Process Control Block, PCB) 。系统利用PCB 来描述进程的基本情况和运行状态,进而控制和管理进程。

相应地,由程序段、相关数据段和PCB三部分构成了进程映像(进程实体)。所谓创建进程,实质上是创建进程映像中的PCB; 而撤销进程,实质上是撤销进程的PCB 。值得注意的是,进程映像是静态的,进程则是动态的。

从不同的角度,进程可以有不同的定义,比较典型的定义有:

  1. 进程是程序的一次执行过程。
  2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
  3. 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程,它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

引入进程实体的概念后,我们可以把传统操作系统中的进程定义为: “进程是进程实体的运行过程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。(还没引入线程)”

❝ 【注意】:要准确理解这里说的系统资源。它指处理机、存储器和其他设备服务于某个进程的”时间”,例如把处理机资源理解为处理机的时间片才是准确的。因为进程是这些资源分配和调度的独立单位(还没引入线程),即“时间片”分配的独立单位,这就决定了进程一定是一个动态的、过程性的概念。

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线程的基本概念

引入进程的目的是为了更好地使多道程序并发执行,提高资源利用率和系统吞吐量;而引入线程的目的则是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销,提高操作系统的并发性能。

线程最直接的理解就是“轻量级进程”,它是一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单元,由线程ID 、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体,是被系统独立调度和分派的基本单位,线程自己不拥有系统资源,只拥有一点儿在运行中必不可少的资源,但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程,同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约,致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。

2.程序和进程的比较

  1. 程序是永存的(除非删除);进程是暂时的,是程序在数据集上的一次执行,有创建有撤销,存在是暂时的;
  2. 程序是静态的观念,进程是动态的观念;
  3. 进程具有并发性,而程序没有;
  4. 进程是竞争计算机资源的基本单位,程序不是。
  5. 进程和程序不是一一对应的: 一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序; 一个进程可以执行一个或几个程序。

3.进程和线程

❝ 为什么要引入线程? 答:进程存在着很多缺陷,主要集中在两点:

(1)进程只能在同一时间干一件事情,如果想同时干两件事或多件事情,进程就无能为力了。

(2)进程在执行的过程中如果由于某种原因阻塞了,例如等待输入,整个进程就会挂起,其他与输入无关的工作也必须等待输入结束后才能顺序执行。 为了解决上述两点缺陷,引入了线程这个概念。

线程与进程的比较

  1. 调度。在传统的操作系统中,拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。在引入线程的操作系统中,线程是独立调度的基本单位,进程是拥有资源的基本单位。在同一进程中,线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行线程切换,如从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时,会引起进程切换。
  2. 拥有资源。不论是传统操作系统还是设有线程的操作系统,进程都是拥有资源的基本单位,而线程不拥有系统资源(也有一点儿必不可少的资源),但线程可以访问其隶属进程的系统资源。要知道,若线程也是拥有资源的单位,则切换线程就需要较大的时空开销,线程这个概念的提出就没有意义。
  3. 并发性。在引入线程的操作系统中,不仅进程之间可以并发执行,而且多个线程之间也可以并发执行,从而使操作系统具有更好的并发性,提高了系统的吞吐量。
  4. 系统开销。由于创建或撤销进程时,系统都要为之分配或回收资源,如内存空间、I/0 设备等,因此操作系统所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地,在进行进程切换时,涉及当前执行进程CPU 环境的保存及新调度到进程CPU 环境的设置,而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容,开销很小。此外,由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间,因此这些线程之间的同步与通信非常容易实现,甚至无须操作系统的干预。
  5. 地址空间和其他资源(如打开的文件)。进程的地址空间之间互相独立,同一进程的各线程间共享进程的资源,某进程内的线程对于其他进程不可见。
  6. 通信方面。进程间通信(IPC) 需要进程同步和互斥手段的辅助,以保证数据的一致性,而线程间可以直接读/写进程数据段(如全局变量)来进行通信。

❝ 【为什么线程的提出有利于提高系统并发性?】可以这样来理解:由于有了线程,线程切换时,有可能会发生进程切换,也有可能不发生进程切换,平均而言每次切换所需的开销就变小了,因此能够让更多的线程参与并发,而不会影响到响应时间等问题。

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