进程与线程的一个简单解释

进程（process）和线程（thread）是操作系统的基本概念，但是它们比较抽象，不容易掌握。

最近，我读到一篇材料，发现有一个很好的类比，可以把它们解释地清晰易懂。

1.

计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。

2.

假定工厂的电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。

3.

进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。

4.

一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

5.

线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

6.

车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。

7.

可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

8.

一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。

9.

还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。

10.

这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

11.

操作系统的设计，因此可以归结为三点：

（1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；

（2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；

（3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

抛开各种技术细节，从应用程序角度讲：

1、在单核计算机里，有一个资源是无法被多个程序并行使用的：cpu。

没有操作系统的情况下，一个程序一直独占着全都cpu。

如果要有两个任务来共享同一个CPU，程序员就需要仔细地为程序安排好运行计划--某时刻cpu和由程序A来独享，下一时刻cpu由程序B来独享

而这种安排计划后来成为OS的核心组件，被单独名命为“scheduler”，即“调度器”，它关心的只是怎样把单个cpu的运行拆分成一段一段的“运行片”，轮流分给不同的程序去使用，而在宏观上，因为分配切换的速度极快，就制造出多程序并行在一个cpu上的假象。

2、在单核计算机里，有一个资源可以被多个程序共用，然而会引出麻烦：内存。

在一个只有调度器，没有内存管理组件的操作系统上，程序员需要手工为每个程序安排运行的空间 -- 程序A使用物理地址0x00-0xff,程序B使用物理地址0x100-0x1ff，等等。

然而这样做有个很大的问题：每个程序都要协调商量好怎样使用同一个内存上的不同空间，软件系统和硬件系统千差万别，使这种定制的方案没有可行性。
为了解决这个麻烦，计算机系统引入了“虚拟地址”的概念，从三方面入手来做：

2.1、硬件上，CPU增加了一个专门的模块叫MMU，负责转换虚拟地址和物理地址。
2.2、操作系统上，操作系统增加了另一个核心组件：memory management，即内存管理模块，它管理物理内存、虚拟内存相关的一系列事务。
2.3、应用程序上，发明了一个叫做【进程】的模型，（注意）每个进程都用【完全一样的】虚拟地址空间，然而经由操作系统和硬件MMU协作，映射到不同的物理地址空间上。不同的【进程】，都有各自独立的物理内存空间，不用一些特殊手段，是无法访问别的进程的物理内存的。

3、现在，不同的应用程序，可以不关心底层的物理内存分配，也不关心CPU的协调共享了。然而还有一个问题存在：有一些程序，想要共享CPU，【并且还要共享同样的物理内存】，这时候，一个叫【线程】的模型就出现了，它们被包裹在进程里面，在调度器的管理下共享CPu，拥有同样的虚拟地址空间，同时也共享同一个物理地址空间，然而，它们无法越过包裹自己的进程，去访问别一个进程的物理地址空间。

4、进程之间怎样共享同一个物理地址空间呢？不同的系统方法各异，符合posix规范的操作系统都提供了一个接口，叫mmap，可以把一个物理地址空间映射到不同的进程中，由不同的进程来共享。

5、PS：在有的操作系统里，进程不是调度单位（即不能被调度器使用），线程是最基本的调度单位，调度器只调度线程，不调度进程，比如VxWorks