線程、進(jìn)程、多線程、多進(jìn)程和多任務(wù)之間的區(qū)別與聯(lián)系

1、 線程、進(jìn)程、多線程、多進(jìn)程和多任務(wù)之間的區(qū)別與聯(lián)系 可能學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的讀者都聽(tīng)說(shuō)過(guò)這些專業(yè)名詞，但又多少人理解了？首先，從定義開(kāi)始，先看一下教科書(shū)上進(jìn)程和線程定義：進(jìn)程：資源分配的最小單位。線程：程序執(zhí)行的最小單位。1進(jìn)程進(jìn)程是程序執(zhí)行時(shí)的一個(gè)實(shí)例，即它是程序已經(jīng)執(zhí)行到課中程度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的匯集。從內(nèi)核的觀點(diǎn)看，進(jìn)程的目的就是擔(dān)當(dāng)分配系統(tǒng)資源（CPU時(shí)間、內(nèi)存等）的基本單位。舉例說(shuō)明進(jìn)程：想象一位有一手好廚藝的計(jì)算機(jī)科學(xué)家正在為他的女兒烘制生日蛋糕，他有做生日蛋糕的食譜，廚房里有所需的原料:面粉、雞蛋、糖、香草汁等。在這個(gè)比喻中，做蛋糕的食譜就是程序(即用適當(dāng)形式描述的算法)計(jì)算機(jī)科學(xué)家就

2、是處理器(CPU)，而做蛋糕的各種原料就是輸入數(shù)據(jù)。進(jìn)程就是廚師閱讀食譜、取來(lái)各種原料以及烘制蛋糕等一系列動(dòng)作的總和?，F(xiàn)在假設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家的兒子哭著跑了進(jìn)來(lái)，說(shuō)他的頭被一只蜜蜂蟄了。計(jì)算機(jī)科學(xué)家就記錄下他照著食譜做到哪兒了(保存進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài))，然后拿出一本急救手冊(cè)，按照其中的指示處理蟄傷。這里，我們看到處理機(jī)制是從一個(gè)進(jìn)程(做蛋糕)切換到另一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程(實(shí)施醫(yī)療救治)，每個(gè)進(jìn)程擁有各自的程序(食譜和急救手冊(cè))。當(dāng)蜜蜂蟄傷處理完之后，這位計(jì)算機(jī)科學(xué)家又回來(lái)做蛋糕，從他離開(kāi)時(shí)的那一步繼續(xù)做下去。2線程線程是CPU調(diào)度的最小單位(程序執(zhí)行流的最小單元)，它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作

3、單元。一條線程是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程有線程ID、當(dāng)前指令指針(PC),寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單元，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)兒在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)處間斷性。線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指線程具備運(yùn)行的所有條件，邏輯上可以運(yùn)行，在等待處理機(jī)；運(yùn)行狀態(tài)是指線程占有

4、處理機(jī)正在運(yùn)行；阻塞狀態(tài)是指線程在等待一個(gè)事件(如某個(gè)信號(hào)量)，邏輯上不可執(zhí)行。每一個(gè)程序都至少有一個(gè)線程，若程序只有一個(gè)線程，那就是程序本身。舉例說(shuō)明線程：假設(shè)，一個(gè)文本程序，需要接受鍵盤(pán)輸入，將內(nèi)容顯示在屏幕上，還需要保存信息到硬盤(pán)中。若只有一個(gè)進(jìn)程，勢(shì)必造成同一時(shí)間只能干一樣事的尷尬（當(dāng)保存時(shí)，就不能通過(guò)鍵盤(pán)輸入內(nèi)容）。若有多個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)一個(gè)任務(wù)，進(jìn)程A負(fù)責(zé)接收鍵盤(pán)輸入的任務(wù)，進(jìn)程B負(fù)責(zé)將內(nèi)容顯示在屏幕上的任務(wù)，進(jìn)程C負(fù)責(zé)保存內(nèi)容到硬盤(pán)中的任務(wù)。這里進(jìn)程A，B，C間的協(xié)作涉及到了進(jìn)程通信問(wèn)題，而且有共同都需要擁有的東西-文本內(nèi)容，不停的切換造成性能上的損失。若有一種機(jī)制，可以使任

5、務(wù)A，B，C共享資源，這樣上下文切換所需要保存和恢復(fù)的內(nèi)容就少了，同時(shí)又可以減少通信所帶來(lái)的性能損耗，那就好了。這種機(jī)制就是線程?？偟膩?lái)說(shuō)：進(jìn)程有獨(dú)立的地址空間，線程沒(méi)有單獨(dú)的地址空間（同一進(jìn)程內(nèi)的線程共享進(jìn)程的地址空間）。3多進(jìn)程進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一次執(zhí)行活動(dòng)，當(dāng)你運(yùn)行一個(gè)程序，你就啟動(dòng)了一個(gè)進(jìn)程。顯然，程序是死的(靜態(tài)的)，進(jìn)程是活的(動(dòng)態(tài)的)。進(jìn)程可以分為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程，凡是用于完成操作系統(tǒng)的各種功能的進(jìn)程就是系統(tǒng)進(jìn)程，它們就是處于運(yùn)行狀態(tài)下的操作系統(tǒng)本身；所有由用戶啟動(dòng)的進(jìn)程都是用戶進(jìn)程。進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位。進(jìn)程又被細(xì)化為線程，也就是一個(gè)進(jìn)程下有多個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的更

6、小的單位。在同一個(gè)時(shí)間里，同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中如果允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)，這便是多任務(wù)?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)幾乎都是多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠同時(shí)管理多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行。多任務(wù)帶來(lái)的好處是明顯的，比如你可以邊聽(tīng)網(wǎng)易云音樂(lè)，一邊上網(wǎng)，與此同時(shí)甚至可以將下載的文檔打印出來(lái)，而這些任務(wù)之間絲毫不會(huì)相互干擾。那么這里就涉及到并行的問(wèn)題，俗話說(shuō)，一心不能二用，這對(duì)計(jì)算機(jī)也一樣，原則上一個(gè)CPU只能分配給一個(gè)進(jìn)程，以便運(yùn)行這個(gè)進(jìn)程。我們通常使用的計(jì)算機(jī)中只有一個(gè)CPU，也就是說(shuō)只有一顆心，要讓它一心多用，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，就必須使用并發(fā)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)并發(fā)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，最容易理解的是“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度算法”，它的

7、思想簡(jiǎn)單介紹如下：在操作系統(tǒng)的管理下，所有正在運(yùn)行的進(jìn)程輪流使用CPU，每個(gè)進(jìn)程允許占用CPU的時(shí)間非常短(比如10毫秒)，這樣用戶根本感覺(jué)不出來(lái) CPU是在輪流為多個(gè)進(jìn)程服務(wù)，就好像所有的進(jìn)程都在不間斷地運(yùn)行一樣。但實(shí)際上在任何一個(gè)時(shí)間內(nèi)有且僅有一個(gè)進(jìn)程占有CPU。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)有多個(gè)CPU，情況就不同了，如果進(jìn)程數(shù)小于CPU數(shù)，則不同的進(jìn)程可以分配給不同的CPU來(lái)運(yùn)行，這樣，多個(gè)進(jìn)程就是真正同時(shí)運(yùn)行的，這便是并行。并行處理（Parallel Processing）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)或更多個(gè)處理的一種計(jì)算方法。并行處理可同時(shí)工作于同一程序的不同方面。并行處理的主要目的是節(jié)省大型和復(fù)

8、雜問(wèn)題的解決時(shí)間。并發(fā)處理(concurrency Processing)：指一個(gè)時(shí)間段中有幾個(gè)程序都處于已啟動(dòng)運(yùn)行到運(yùn)行完畢之間，且這幾個(gè)程序都是在同一個(gè)處理機(jī)(CPU)上運(yùn)行，但任一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上只有一個(gè)程序在處理機(jī)(CPU)上運(yùn)行并發(fā)的關(guān)鍵是你有處理多個(gè)任務(wù)的能力，不一定要同時(shí)。并行的關(guān)鍵是你有同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)的能力。所以說(shuō)，并行是并發(fā)的子集。4多線程線程是程序中一個(gè)單一的順序控制流程。進(jìn)程內(nèi)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、可調(diào)度的執(zhí)行單元，是系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派CPU的基本單元。在單一程序中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)想成完成不同的工作，稱為多線程。多線程是為了使得多個(gè)線程并行的工作以完成多項(xiàng)任務(wù)，以提高系統(tǒng)的效率。線程是

9、在同一時(shí)間需要完成多項(xiàng)任務(wù)的時(shí)候被實(shí)現(xiàn)的。打個(gè)比方：多進(jìn)程是立體交通系統(tǒng)（近似于立交橋），雖然造價(jià)高，上坡下坡多耗點(diǎn)油，但是不堵車。多線程是平面交通系統(tǒng)，造價(jià)低，但紅綠燈太多，老堵車。5線程與進(jìn)程的關(guān)系（1）一個(gè)線程只能屬于一個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，但至少有一個(gè)線程；（2）資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程內(nèi)的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源；（3）線程在執(zhí)行過(guò)程中需要協(xié)作同步。不同進(jìn)程中的線程之間要利用消息通信的方法實(shí)現(xiàn)同步；（4）處理機(jī)分配給線程，即真正在處理機(jī)上運(yùn)行的是線程；（5）線程是進(jìn)程的一個(gè)執(zhí)行單元，也是進(jìn)程內(nèi)的可調(diào)用實(shí)體。6線程和進(jìn)程的區(qū)別（1）線程共享內(nèi)存空間；進(jìn)程的內(nèi)存是獨(dú)立的；

10、（2）同一個(gè)進(jìn)程的線程之間可以直接交流；兩個(gè)進(jìn)程想通信，必須通過(guò)一個(gè)中間代理來(lái)實(shí)現(xiàn)；（3）創(chuàng)建新進(jìn)程很簡(jiǎn)單；創(chuàng)建新進(jìn)程需要對(duì)其父進(jìn)程進(jìn)行一個(gè)克?。唬?）一個(gè)線程可以控制和操作同一進(jìn)程里的其他線程；但是進(jìn)程只能操作子進(jìn)程；（5）改變注線程(如優(yōu)先權(quán))，可能會(huì)影響其他線程；改變父進(jìn)程，不影響子進(jìn)程。（6）調(diào)度：線程作為分配和調(diào)度的基本單位，進(jìn)程作為擁有資源的基本單位（7）并發(fā)性：不進(jìn)進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，同一進(jìn)程內(nèi)的線程也可以并發(fā)執(zhí)行（8）擁有資源：進(jìn)程是擁有資源的一個(gè)獨(dú)立單位，線程不擁有系統(tǒng)資源，但是可以訪問(wèn)隸屬于進(jìn)程的系統(tǒng)資源（9）系統(tǒng)開(kāi)銷：在創(chuàng)建和撤銷進(jìn)程的時(shí)候，系統(tǒng)都要分配和回收資源，導(dǎo)致

11、系統(tǒng)的明顯大于創(chuàng)建和撤銷線程時(shí)的開(kāi)銷。但進(jìn)程有獨(dú)立的地址空間，進(jìn)程崩潰后，在保護(hù)模式的下不會(huì)對(duì)其他進(jìn)程造成影響，而線程只是進(jìn)程中的不同執(zhí)行路徑。線程有自己的堆棧和局部變量，但線程之間沒(méi)有獨(dú)立的地址空間，一個(gè)線程死后就等于整個(gè)進(jìn)程死掉，所以多進(jìn)程程序要比多線程程序健壯，但是在進(jìn)程切換的時(shí)候消耗的資源較大，效率差。根本區(qū)別就一點(diǎn)：用多進(jìn)程每個(gè)進(jìn)程有自己的地址空間(address space)，線程則共享地址空間?？偨Y(jié)：多線程執(zhí)行效率高; 多進(jìn)程耗資源，安全。7進(jìn)程的優(yōu)缺點(diǎn)7.1 進(jìn)程的優(yōu)點(diǎn)1）順序程序的特點(diǎn)：具有封閉性和可再現(xiàn)性；2）程序的并發(fā)執(zhí)行和資源共享。多道程序設(shè)計(jì)出現(xiàn)后，實(shí)現(xiàn)了程序的并發(fā)執(zhí)

12、行和資源共享，提高了系統(tǒng)的效率和系統(tǒng)的資源利用率。7.2 進(jìn)程的缺點(diǎn)操作系統(tǒng)調(diào)度切換多個(gè)線程要比切換調(diào)度進(jìn)程在速度上快的多。而且進(jìn)程間內(nèi)存無(wú)法共享，通訊也比較麻煩。線程之間由于共享進(jìn)程內(nèi)存空間，所以交換數(shù)據(jù)非常方便；在創(chuàng)建或撤消進(jìn)程時(shí)，由于系統(tǒng)都要為之分配和回收資源，導(dǎo)致系統(tǒng)的開(kāi)銷明顯大于創(chuàng)建或撤消線程時(shí)的開(kāi)銷。8線程的優(yōu)缺點(diǎn)8.1 線程的優(yōu)點(diǎn)1）它是一種非常節(jié)儉的多任務(wù)操作方式。在Linux系統(tǒng)下，啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來(lái)維護(hù)它的代碼 段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種昂貴的多任務(wù)工作方式。而運(yùn)行于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部

13、分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動(dòng)一個(gè)線程 所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程所花費(fèi)的空間，而且，線程間彼此切換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間。當(dāng)然，在具體的系統(tǒng)上，這個(gè)數(shù)據(jù)可能 會(huì)有較大的區(qū)別；2）線程間方便的通信機(jī)制，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個(gè)線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便；3）使多CPU系統(tǒng)更加有效。操作系統(tǒng)會(huì)保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時(shí)，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上；4）改善程序結(jié)構(gòu)。一個(gè)既長(zhǎng)又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個(gè)線程，成為幾個(gè)獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，這樣的程序會(huì)利于理解和修改。8.2 線程的缺點(diǎn)1）調(diào)度時(shí)， 要保存線程狀態(tài)，頻繁調(diào)度，需要占用

14、大量的機(jī)時(shí)；2）程序設(shè)計(jì)上容易出錯(cuò)（線程同步問(wèn)題）。9多線程的優(yōu)缺點(diǎn)9.1 多線程的優(yōu)點(diǎn)1）無(wú)需跨進(jìn)程邊界；程序邏輯和控制方式簡(jiǎn)單；2）所有線程可以直接共享內(nèi)存和變量等；3）線程方式消耗的總資源比進(jìn)程方式好。9.2 多線程的缺點(diǎn)1）每個(gè)線程與主程序共用地址空間，受限于2GB地址空間；2）線程之間的同步和加鎖控制比較麻煩；一個(gè)線程的崩潰可能影響到整個(gè)程序的穩(wěn)定性；3）到達(dá)一定的線程數(shù)程度后，即使再增加CPU也無(wú)法提高性能，例如Windows Server 2003，大約是1500個(gè)左右的線程數(shù)就快到極限了（線程堆棧設(shè)定為1M），如果設(shè)定線程堆棧為2M，還達(dá)不到1500個(gè)線程總數(shù)；4）線程能夠提高

15、的總性能有限，而且線程多了之后，線程本身的調(diào)度也是一個(gè)麻煩事兒，需要消耗較多的CPU 。10多進(jìn)程的優(yōu)缺點(diǎn)10.1 多進(jìn)程的優(yōu)點(diǎn)1）每個(gè)進(jìn)程互相獨(dú)立，不影響主程序的穩(wěn)定性，子進(jìn)程崩潰沒(méi)關(guān)系；2）通過(guò)增加CPU，就可以容易擴(kuò)充性能；3）可以盡量減少線程加鎖/解鎖的影響，極大提高性能，就算是線程運(yùn)行的模塊算法效率低也沒(méi)關(guān)系；4）每個(gè)子進(jìn)程都有2GB地址空間和相關(guān)資源，總體能夠達(dá)到的性能上限非常大。10.2 多進(jìn)程的缺點(diǎn)1）邏輯控制復(fù)雜，需要和主程序交互；2）需要跨進(jìn)程邊界，如果有大數(shù)據(jù)量傳送，就不太好，適合小數(shù)據(jù)量傳送、密集運(yùn)算 多進(jìn)程調(diào)度開(kāi)銷比較大。總結(jié)：最好是多進(jìn)程和多線程結(jié)合，即根據(jù)實(shí)際的需

16、要，每個(gè)CPU開(kāi)啟一個(gè)子進(jìn)程，這個(gè)子進(jìn)程開(kāi)啟多線程可以為若干同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)然你也可以利用多線程+CPU+輪詢方式來(lái)解決問(wèn)題方法和手段是多樣的，關(guān)鍵是自己看起來(lái)實(shí)現(xiàn)方便有能夠滿足要求，代價(jià)也合適。按照多個(gè)不同的維度（類別），來(lái)看看多線程和多進(jìn)程的對(duì)比（注：因?yàn)槭歉行缘谋容^，因此都是相對(duì)的，不是說(shuō)一個(gè)好得不得了，另外一個(gè)差的無(wú)法忍受）。其實(shí)沒(méi)有絕對(duì)的好與壞，只有哪個(gè)更加合適的問(wèn)題。我們來(lái)看實(shí)際應(yīng)用中究竟如何判斷更加合適。1）需要頻繁創(chuàng)建銷毀的優(yōu)先用線程這種原則最常見(jiàn)的應(yīng)用就是Web服務(wù)器了，來(lái)一個(gè)連接建立一個(gè)線程，斷了就銷毀線程，要是用進(jìn)程，創(chuàng)建和銷毀的代價(jià)是很難承受的2）需要進(jìn)行大量計(jì)

17、算的優(yōu)先使用線程所謂大量計(jì)算，當(dāng)然就是要耗費(fèi)很多CPU，切換頻繁了，這種情況下線程是最合適的。這種原則最常見(jiàn)的是圖像處理、算法處理。3）強(qiáng)相關(guān)的處理用線程，弱相關(guān)的處理用進(jìn)程什么叫強(qiáng)相關(guān)、弱相關(guān)？理論上很難定義，給個(gè)簡(jiǎn)單的例子就明白了。一般的Server需要完成如下任務(wù)：消息收發(fā)、消息處理?！跋⑹瞻l(fā)”和“消息處理”就是弱相關(guān)的任務(wù)，而“消息處理”里面可能又分為“消息解碼”、“業(yè)務(wù)處理”，這兩個(gè)任務(wù)相對(duì)來(lái)說(shuō)相關(guān)性就要強(qiáng)多了。因此“消息收發(fā)”和“消息處理”可以分進(jìn)程設(shè)計(jì)，“消息解碼”、“業(yè)務(wù)處理”可以分線程設(shè)計(jì)。當(dāng)然這種劃分方式不是一成不變的，也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。4）可能要擴(kuò)展到多機(jī)分布

18、的用進(jìn)程，多核分布的用線程5）都滿足需求的情況下，用你最熟悉、最拿手的方式至于“數(shù)據(jù)共享、同步”、“編程、調(diào)試”、“可靠性”這幾個(gè)維度的所謂的“復(fù)雜、簡(jiǎn)單”應(yīng)該怎么取舍，我只能說(shuō)：沒(méi)有明確的選擇方法。但我可以告訴你一個(gè)選擇原則：如果多進(jìn)程和多線程都能夠滿足要求，那么選擇你最熟悉、最拿手的那個(gè)。需要提醒的是：雖然我給了這么多的選擇原則，但實(shí)際應(yīng)用中基本上都是“進(jìn)程+線程”的結(jié)合方式，千萬(wàn)不要真的陷入一種非此即彼的誤區(qū)。11多任務(wù)(多進(jìn)程)現(xiàn)代操作系統(tǒng)比如Mac OS X，UNIX，Linux，Windows等，都是支持“多任務(wù)”的操作系統(tǒng)。什么叫“多任務(wù)”呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。打個(gè)比方，你一邊在用瀏覽器上網(wǎng)，一邊在聽(tīng)MP3，一邊在用Word寫(xiě)論文，這就是多任務(wù)，至少同時(shí)有3個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行。還有很多任務(wù)悄悄地在后臺(tái)同時(shí)運(yùn)行著，只是桌面上沒(méi)有顯示而已?，F(xiàn)在，多核CPU已經(jīng)非常普及了，但是，即使過(guò)去的單