操作系统中的进程、线程和程序

深碍√TFBOYSˉ_ 2022-12-27 07:22 161阅读 0赞

**目录**

进程

进程概念

进程状态

程序

线程

线程的优点

线程的缺点

性能损失

健壮性降低

缺乏访问控制

编程难度提高

多线程和多进程

何时使用多进程，何时使用多线程

进程和线程的区别

Qt多线程

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# 进程 #

## 进程概念 ##

狭义概念：进程就是一段程序的执行过程。

广义概念：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。

**第一**，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。

**第二**，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

进程之间数据相互独立，一个进程至少有一个线程。

## 进程状态 ##

进程有三个状态：**就绪、运行和阻塞。**

1.  **就绪**状态其实就是获取了除cpu外的所有资源，只要处理器分配资源就可以马上执行。
2.  **运行**态就是获得了处理器分配的资源，程序开始执行。
3.  **阻塞**态，当程序条件不够时候，需要等待条件满足时候才能执行，如等待i/o操作时候，此刻的状态就叫阻塞态。

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注意上面的图中，没有"就绪-->阻塞"和"阻塞-->运行"的状态切换。这很容易理解。对于"就绪-->阻塞",等待中的进程本就已经进入了等待队列，表示可运行，而进入睡眠态表示暂时不可运行，这本身就是冲突的；对于"阻塞-->运行"这也是行不通的，因为调度类只会从等待队列中挑出下一次要运行的进程。

再说说运行态-->阻塞态。从运行态到阻塞态一般是等待某事件的出现，例如等待信号通知，等待IO完成。信号通知很容易理解，而对于IO等待，程序要运行起来，cpu就要执行该程序的指令，同时还需要输入数据，可能是变量数据、键盘输入数据或磁盘文件中的数据，后两种数据相对cpu来说，都是极慢极慢的。但不管怎样，如果cpu在需要数据的那一刻却得不到数据，cpu就只能闲置下来，这肯定是不应该的，因为cpu是极其珍贵的资源，所以内核应该让正在运行且需要数据的进程暂时进入阻塞，等它的数据都准备好了再回到等待队列等待被调度类选中。这就是IO等待。

# 程序 #

程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。程序是二进制文件，是**静态**存放在磁盘上的，不会占用系统运行资源(cpu/内存)。

**进程是用户执行程序或者触发程序的结果**，可以认为进程是程序的一个运行实例。**进程是动态的**，会申请和使用系统资源，并与操作系统内核进行交互。进程是包含程序的，进程的执行离不开程序，进程中的文本区域就是代码区，也就是程序。

# 线程 #

线程是进程中执行单元，开启一个线程比开启一个进程更加节省资源。 通常在一个进程中可以包含若干个线程，当然一个进程中至少有一个线程，不然没有存在的意义。**线程可以利用进程所拥有的资源**，在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位，由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，**能更高效的提高系统多个程序间并发执行的程度**。

## 线程的优点 ##

1.  创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
2.  与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
3.  线程占用的资源要比进程少很多
4.  能充分利用多处理器的可并行数量
5.  在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
6.  计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
7.  I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

## **线程的缺点** ##

### **性能损失** ###

一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。

### **健壮性降低** ###

编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说**线程之间是缺乏保护的。**

### **缺乏访问控制** ###

进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。

### **编程难度提高** ###

编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多。

# 多线程和多进程 #

在一个程序中，这些独立运行的程序片段叫作“线程”（Thread），利用它编程的概念就叫作“多线程处理”。**多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率。**线程是在同一时间需要完成多项任务的时候实现的。最简单的比喻多线程就像火车的每一节车厢，而进程则是火车。车厢离开火车是无法跑动的，同理火车也不可能只有一节车厢。多线程的出现就是为了提高效率。

多线程是多任务处理的一种特殊形式，多任务处理允许让电脑同时运行两个或两个以上的程序。一般情况下，两种类型的多任务处理：基于进程和基于线程。

多线程程序包含可以同时运行的两个或多个部分。这样的程序中的每个部分称为一个线程，每个线程定义了一个单独的执行路径。

*  基于进程的多任务处理是程序的并发执行。
 *  基于线程的多任务处理是同一程序的片段的并发执行

线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。同时，线程适合于在SMP(多核处理机)机器上运行，而进程则可以跨机器迁移。

## **何时使用多进程，何时使用多线程** ##

*  　　对资源的管理和保护要求高，不限制开销和效率时，使用**多进程**。
 *  　　要求效率高，频繁切换时，资源的保护管理要求不是很高时，使用**多线程**。

# 进程和线程的区别 #

进程和线程的主要差别在于它们是**不同的操作系统资源管理方式**。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，**一个线程死掉就等于整个进程死掉**，**所以多进程的程序要比多线程的程序健壮**，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

1) 一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.

2) 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。

3) 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。

4) 线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线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，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。**

5) 从多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

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# Qt多线程 #

多线程具有以下优势：

（1）提高应用程序的响应速度。这对于开发图形界面的程序尤为重要，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，程序就不能响应键盘、鼠标、菜单等的操作，而使用多线程技术可将耗时长的操作置于一个新的线程，从而避免出现以上问题。

（2）使多CPU系统更加有效。当线程数不大于CPU数目时，操作系统可以调度不同的线程运行于不同的CPU上。

（3）改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为独立或半独立的运行部分，这样有利于代码的理解和维护。

多线程程序具有以下特点：

（1）多线程程序的行为无法预期，当多次执行上述程序时，每次的运行结果都可能不同。

（2）多线程的执行顺序无法保证，它与操作系统的调度策略和线程优先级等因素有关。

（3）多线程的切换可能发生在任何时刻、任何地点。

（4）由于多线程对代码的敏感度高，因此对代码的细微修改都可能产生意想不到的结果。

[进程、线程、多线程相关总结][Link 1]

[C++进程、线程、多线程概念及线程的优缺点][C]

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[Link 1]: https://www.cnblogs.com/fuchongjundream/p/3829508.html
[C]: https://blog.csdn.net/Crazy_Tengt/article/details/79166853?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.control&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.control