当面临这些问题的时候,有两个关键词无法绕开,那就是并行和并发。
首先,要先了解几个概念:
1、进程是程序的一次执行。
2、进程是资源分配的基本单位。
3、一个进程可以包括多个线程。
4、在单CPU计算机中,有一个资源是无法被多个程序并行使用的:CPU。
5、操作系统调度器:拆分CPU为一段段时间的运行片,轮流分配给不同的程序。
6、操作系统内存管理模块:管理物理内存、虚拟内存相关的事务。
由于CPU同时刻只能执行一个进程,如果我们不加以控制的话,一个进程可能使用CPU直到运行结束,于是出现了操作系统调度器,而进程也成为了调度单位。
进程的运行不仅仅需要CPU,还需要很多其他资源,如内存啊,显卡啊,GPS啊,磁盘啊等等,统称为程序的执行环境,也就是程序上下文。
在这里就出现了并发的概念,调度器切换CPU给不同进程使用的速度非常快,于是在使用者看来程序是在同时运行,这就是并发,而实际上CPU在同一时刻只在运行一个进程。并发只是给人的假现象 ,原因就是由于cpu工作很快,不断地loop感觉是同时发生,实际都是单个执行的。
CPU进程无法同时刻共享,但是出现一定要共享CPU的需求呢?此时线程的概念就出现了。线程被包含在进程当中,进程的不同线程间共享CPU和程序上下文。(共享进程分配到的资源)
单CPU进行进程调度的时候,需要读取上下文+执行程序+保存上下文,即进程切换。
如果这个CPU是单核的话,那么在进程中的不同线程为了使用CPU核心,则会进行线程切换,但是由于共享了程序执行环境,这个线程切换比进程切换开销少了很多。在这里依然是并发,唯一核心同时刻只能执行一个线程。
出现线程的原因就是由于进程切换需要大量的资源切换,线程却还资源是共享的,切换速度很快,占用资源小,线程内容是隐私的,存储一些上下文信息,以及堆栈信息,占用内存很小,切换很快,同一进程不同线程切换共享进程资源,切换迅速。
如果这个CPU是多核的话,那么进程中的不同线程可以使用不同核心,真正的并行出现了。多核才是并行,单核只能说是并发,假并行
线程是CPU调度和分配的基本单位,一定要和进程是操作系统进行资源分配(包括cpu、内存、磁盘IO等)的最小单位区别清楚。有句话说CPU只能看到线程,可以这么理解,假设我是CPU,我闭着眼,操作系统调度器将一个进程分配给我之后,我拿到进程睁开眼,我看到的是什么?我看到的是进程中的很多线程,那么我现在能调度和分配的是什么?进程?不行,因为我看不到其他进程,何来调度分配,只能调度我看到的那些线程,如果我是4核的话,把线程ABCD分配到核心1234,其他的线程依然要等待分配,至于等待多久,如何分配,暂不在本文讨论范围。于是线程是CPU调度和分配的基本单位。
最后说一下操作系统内存管理模块这里做的事:在这之前,程序员需要为每个程序安排运行的空间,这里的空间指的是内存的物理地址,但是这么的问题就是,每个程序都要协商如何使用同一内存的不同空间,而且程序员还要关心底层内存分配问题。解决办法就是,提出进程的概念,每个进程用一样的虚拟地址空间,CPU上增加了MMU模块负责转换虚拟地址和物理地址,虚拟地址经过操作系统和MMU之后,虚拟地址会映射到不同的物理地址,不同的进程就能获得各自独立的物理内存空间。
另外在有的操作系统里,进程不是调度单位,线程是最基本的调度单位,调度器只调度线程,不调度进程,如VxWorks。
总结:
1、单CPU中进程只能是并发,多CPU计算机中进程可以并行。
2、单CPU单核中线程只能并发,单CPU多核中线程可以并行。
3、无论是并发还是并行,使用者来看,看到的是多进程,多线程。
根本区别:进程是操作系统资源分配的基本单位,而线程是任务调度和执行的基本单位
在开销方面:每个进程都有独立的代码和数据空间(程序上下文),程序之间的切换会有较大的开销;线程可以看做轻量级的进程,同一类线程共享代码和数据空间,每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器(PC),线程之间切换的开销小。
所处环境:在操作系统中能同时运行多个进程(程序);而在同一个进程(程序)中有多个线程同时执行(通过CPU调度,在每个时间片中只有一个线程执行)
内存分配方面:系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间;而对线程而言,除了CPU外,系统不会为线程分配内存(线程所使用的资源来自其所属进程的资源),线程组之间只能共享资源。
包含关系:没有线程的进程可以看做是单线程的,如果一个进程内有多个线程,则执行过程不是一条线的,而是多条线(线程)共同完成的;线程是进程的一部分,所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
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