进程与线程

进程

通常的程序是静态实体，在多道程序系统中，它们是不能独立运行的，更不能和其他程序并发执行。在操作系统中引入进程的目的，就是为了使多个程序能够并发执行。进程就

是指在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。

进程实体由程序段、相关的数据段和PCB（进程控制块）组成。这里我们要理解进程和普通的程序的区别，进程的实质是进程实体的一次执行过程，因此，动态性是进程的最基

本的特征，进程实体是具有生命期的，而程序则不一样，程序只是一组有序指令的集合，并存放在某种介质上，其本身是静态的。

我们刚才也说过，进程的引入就是为了使得程序可以并发执行，现在我们来看看进程的同步。

许多资源比如打印机，都属于临界资源，进程之间应该采用互斥方式来实现对这种资源的共享。于是产生了一种进程同步管理方法，就是信号量机制。

信号量机制

信号量机制的原理就是为临界资源设置一个互斥信号量mutex，并设其初始值为1，每次访问该资源时，对信号量进行修改，访问完成后将其还原即可。这种方式确实是简单有

效，但是信号量大量的同步操作分散在各个进程中不便于管理，每个进程都需要在访问和访问完成后对mutex进行修改，显得过于繁琐。于是又推出了一种新的进程同步管理机

制，就是管程。

管程

管程的定义如下：一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

大约10%的人可以通过上面那句话理解管程，如果你不是那10%，请看下面我对管程通俗的理解：

管程就是一个秘书，所有进程对某一种临界资源的同步操作都集中起来给这个秘书，再由秘书来实现对同一临界资源的互斥使用。

由此可见，管程相当于围墙和通道，管程每次只运行一个进程进入管程，从而实现了进程的互斥。

线程

在操作系统刚刚开始的阶段。是没有线程这个概率的。由于后期用户对于并发量和性能的追求，才出现了线程这个概率，线程将进程进一步的细化了。线程是进程中的实体，一

个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源，只是运行必须的一些数据结构，它与父进程的其他线程共享该进程的所有资源。

线程是20世纪80年代中期被提出的，如果说进程是为了让多个程序可以并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，那线程的目的就是减少程序在并发执行时所付出的时空开

销，使操作系统具有更好的并发性。

在多线程的操作系统中，进程不再是一个可执行的实体了，因为线程才是可以独立运行的基本单位。同样的，我们来谈谈线程的同步问题。

多线程操作系统中提供了多种线程同步机制，比如互斥锁，条件变量等。

互斥锁

互斥锁是一种比较简单的、用于实现线程间对资源互斥访问的机制。由于操作互斥锁的时间和空间开销都比较低，所以比较适合高频度使用的关键共享数据和程序段。互斥锁有

两个状态：开锁（unlock）和关锁（lock）状态。

当一个线程需要读写一个共享数据段时，线程首先对该资源的互斥锁状态进行查询，如果已经处于关锁状态，则该线程将会被阻塞；如果处于开锁状态，则将锁关闭，然后继续

访问共享资源。资源访问完毕后，必须再次开锁，并将阻塞在互斥锁上的进程唤醒。

这样的过程看起来没有什么问题，然而仅仅使用互斥锁还是有可能操作死锁。

死锁

我们通过一个例子来说明为什么互斥锁有可能造成死锁。

A线程对锁1关锁成功后，进入了临界资源C，然后A线程还要继续访问资源R，则会去操作R的锁2，可是锁2已经处于关闭了，所以A线程在锁2阻塞等待。但是资源R中的B线程

要离开资源必须访问资源C，也就是锁1必须是开启的，而A线程早已将锁1关闭了。导致双方陷入无限等待，这就是死锁。

为了解决死锁的问题，我们加入了条件变量。

条件变量

在创建一个互斥锁时就联系着一个条件变量，互斥锁用于短期锁定，而条件变量则用于线程的长期等待，直到所等待的资源变为可用。

还是上面那个例子：

A线程对锁1关锁成果后，进入了临界资源C，然后A线程还要继续访问资源R，则会去操作R的锁2，可是锁2已经处于关闭了，这时，线程便转入等待状态，并对锁1执行开锁操

作，等待资源R被释放。资源R释放后，锁2已经打开，A线程顺利进入资源R，关闭锁2，并将该资源设为忙碌状态，再打开锁1。

这样就避免了死锁的问题。