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1. 程序和过程的区别
首先来看一个故事：
A 平时因为工作忙，都是在公司食堂吃或者吃外卖。然而忽然有一天上班忽然灵机一动想本人做饭，于是 A 来到超市购物，他买了一些食材筹备做一份西红柿炒鸡蛋。回到家后，A 拿了出放在书架最深处的一本《家常菜食谱大全》，照着下面的办法，他就开始筹备做菜了：首先先把西红柿洗洁净切块，鸡蛋搅拌成蛋液，开锅热油 …….. 终于在 A 的不屑致力之下，一份色香味俱全的西红柿炒鸡蛋就实现了。
在上述故事中，咱们能够形象出一个简略的计算解决模型：
-
【程序 】就是那本食谱（存储在书架上，一种 物理 存在，用特定的形容模式论述做菜的过程和办法）
注：
驰名计算机科学家 Niklaus Wirth 提出了：程序 = 数据结构 + 算法
将食谱看成程序，它就是用图文并茂地模式（数据结构）活泼地向读者展现各个菜的做法（算法） - 【过程 】就是做菜的这一系列流动（ 动静 进行的），包含了洗菜、切菜、炒菜等等
- 【CPU】就是 A 自己，他是所有操作的执行者
- 【数据】就是西红柿炒鸡蛋的各种原材料，包含了西红柿、鸡蛋 …（将一系列数据经由 CPU 解决变成不同的数据）
2. 过程
2.1 过程的状态
过程就是程序对于某个数据集上的一系列 流动 。
过程有三个状态，别离是：
- 运行态【running】（actually using the CPU at that instant）
- 就绪态【ready】（runnable; temporarily stopped to let another process run）
- 阻塞态【blocked】（unable to run until some external event happens）
从上图中，咱们能够很分明地看到三种状态之间的转化过程：
- 当产生 IO 操作时，以后过程就会被阻塞直到 IO 操作实现
- 当调度器中断以后过程转而执行另一过程，原过程就会处于就绪状态
- 当调度器抉择该过程，便会从就绪态转为运行态，享受 CPU 资源
- 当 IO 实现后，被阻塞的过程就会转为就绪态，期待操作系统的调度
2.2 过程上下文切换
当过程与过程间因中断（interrupt）或零碎调用（system call）时会产生上下文切换
- 正在执行的过程 P0 因为终端或者零碎调用将 cpu 的使用权交还给 os
- os 保留 P0 的 PCB 信息，并从新从内存中载入 P1 过程的 pcb 内容，并执行 P1
- P1 执行后，由中断或者零碎调用由交还使用权给 os（调度器 scheduler / 调度者 scheduler）
- 再回过头来执行 P0（载入 P0 的 PCB 信息）
上下文切换的代价其实是很高的，须要大量的处理器工夫 （因而通常应用 汇编 实现），有时候 1 秒内可能执行上千次的上下文切换【CONTEXT SWITCH】
即使古代计算机正在逐步升高上下文切换所占用的 CPU 工夫，但那也仅是在 CPU 时钟周期升高，处理速度放慢的状况下，而不是晋升了上下文切换的效率
3. 为什么要引入线程的概念？
既然咱们曾经有了过程，那么为什么计算机科学家还要搞出一个线程的概念呢？
- 在零碎中多利用将同时进行，常常会一直切换状态，通过将一个过程切分成多个线程，达到 准并行【quasi-parallel】，程序模型将更简略（这些线程 <u> 共享地址空间和数据资源 </u>，这些能力正是多过程无奈做到的（地址空间不同））
- 更加轻量级。比起过程，更加容易（疾速）创立和销毁（在一些零碎中，比过程创立快 10-100 倍）
- 性能体现更好。当有大量计算和 I / O 解决时，线程有能力让这些流动交叠，晋升程序的速度
- 对多核处理器更有用。
【注】
因为 过程 是资源的拥有者，所以在创立、撤销、切换操作中须要较大的时空开销，限度了并发水平的进一步提高。
为 缩小过程切换的开销 ，把过程作为 资源分配单位 和调度单位 这两个属性 <u> 离开解决 </u>，即过程还是作为资源分配的根本单位，然而不作为调度的根本单位（很少调度或切换），把调度执行与切换的责任交给“线程”。
这样做的益处岂但能够 进步零碎的并发度，还能适应新的对称多处理机（SMP）环境的运行，充分发挥其性能
3.1 线程的一些缺点
线程尽管运行速度很快，但并不是非常完满的
次要是在 安全性 方面的问题：咱们晓得，过程内的各个线程之间是共享数据和地址空间的，如果 其中一个线程呈现了谬误（比方谬误改写了某个变量），其余线程也会跟着呈现问题，导致最终整个过程的谬误
因而，咱们说当初对于过程和线程的应用也是分场合的，不是一味的谋求线程：
- 在 高性能计算畛域 （如天气预报、水利、空气动力学等等），这一类须要谋求高性能计算，同时程序并不容易出错，就适宜 应用线程
- 而例如 浏览器 这种利用，因为浏览器页面的操作由用户执行，有时候会考量到数据安全，因而举荐 应用过程，一个过程关上一个网页
3.2 线程的实现
3.2.1 用户空间实现
在用户空间建设 线程库，提供一组治理线程的过程由
运行时零碎【run-time system】来实现线程的管理工作
内核治理的还是过程，内核不晓得线程的存在
线程切换 不须要陷入内核
如 Unix、Linux
| 长处 | 毛病 |
|---|---|
| 切换速度快 | 一过程只有一个线程运行在处理器上 |
| 调度算法能够有应用程序设定 | 若一个过程的某个线程调用了阻塞的零碎调用，那么该过程的所有线程也将会被阻塞，页面失效也会有同样的问题 |
| 用户级线程能够运行在任何操作系统，包含不反对线程操作系统 |
3.2.2 内核空间实现
内核治理所有的线程治理，创立，撤销与调度 **，并向应用程序提供 API
内核保护过程和线程上下文
线程的切换 须要内核反对
以线程为根底 进行调度
| 长处 | 毛病 |
|---|---|
| 由内核调度，当有多个处理器时，一个过程的多个线程能够在多个处理器上同时执行 | 由内核进行创立，撤销，调度，零碎开销更大 |
| 一个过程的某个线程阻塞不会引起其余线程的阻塞，页面失效同理 |
3.3.3 混合实现
线程 创立 在——用户空间
线程 调度 在——内核空间
4. 过程和线程之间领有资源的关系？
【过程】是 资源分配 的单位——————【线程】是 CPU 调度 的单位
线程 又称为“轻量级过程”【lightweight processes】
它（同一过程的所有线程）共享过程的地址空间，同时还有本人特有的一些信息：
每个线程共享过程的信息如上图左侧所示
但 ，每个 线程也有本人专属的 <u>PC、寄存器、栈、状态信息 </u>
（因为每个线程可能去调用不同的步骤，
因而 线程之间都有各自的栈、PC、寄存器，这样避免执行时产生异样）
【注】
- 过程内的多个线程是共存的
- 互相将信息共享，甚至一个线程创立删除另一个线程都是可能的
- 尽管过程之间有上下级关系，但线程间没有（所有线程是 平等的）
5. 参考资料
《古代操作系统》
《Operating Systems》
操作系统_清华大学(向勇、陈渝)