多线程与多进程的相关概念

关于并发的很多书中都会提到进程、轻量级线程、线程，进而还有多线程、多进程这些概念，有时候会对概念性的东西有些模糊，现在总结一下。

进程与线程

《深入理解计算机系统》

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。一个进程可以是由多个称为线程的执行单元组成的，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享着同样的代码和全局数据。

可见，线程其实就是运行在进程上下文中的逻辑流。所有运行在同一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间。一个进程中的线程是对等的，一个线程可以杀死任何对等线程，或者等待它的任何对等线程终止。

进程上下文：进程运行所需的所有状态信息，如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。。

进程上下文切换：保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递给新进程。新进程就会从上次停止的地方开始。

线程上下文：线程运行所需的状态信息，如一个唯一的整数线程ID、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。线程上下文要比进程上下文小得多，故线程上下文的切换要比进程上下文的切换快得多。

《C++网络编程 卷一》

进程是一种OS实体，用以提供“执行程序指令”的环境。每一个进程都管理某些资源，如虚拟内存、I/O句柄、信号处理器等，并借助内存单元硬件，防止自身遭受其他OS进程破坏。进程是资源管理和保护的基本单位。

一个线程是一组单独的指令序列，执行在进程的保护范围之内，即进程中的执行单元。线程管理着指令指针、保存“函数活动记录”的运行时栈、一组寄存器、信号屏蔽设备、优先级以及和线程有关的数据等。

《深入理解Linux内核》

进程，通常定义是程序执行时的一个实例。即用简单的 “hello world” 例子来说，执行该程序的时候，就产生了一个进程。用以描述程序已经执行到何种程度的数据结构的汇集。从内核观点看，进程的目的就是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的实体。

而每个线程则是都代表着进程的一个执行流。

线程模型

《深入理解Java虚拟机》

一对一的线程模型：轻量级进程与内核线程之间1:1的关系

轻量级进程是内核线程的一种高级接口，就是我们通常意义上所讲的线程，由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，故每个轻量级进程都是一个独立的调度单元，即使有一个轻量级进程在系统中阻塞了，也不会影响整个进程继续工作。也是由于是基于内核线程实现的，所以线程操作会用到系统调度，需要在用户态和内核态中切换，同时也会消耗一定的内核资源（所以一个系统支持轻量级进程的数量是有限的）。

1对多的线程模型：进程与用户线程之间1：N的关系

狭义的的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，线程的操作不需要内核的参与，故不会切换到内核态，从而线程操作是快速和低消耗的，可以支持更多的线程数量。

而缺点是，没有了系统内核的参与将导致线程操作都需要用户程序自己处理，会出现一些复杂的问题如：如何处理线程切换和调度，如何解决阻塞

多对多的线程模型：用户线程与轻量级进程之间是N:M的关系

该混合模式是将内核线程和用户线程一起使用：用户线程建立在用户空间中，线程操作快速和低消耗；而轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁，从而可以使用内核提供的内核调度和处理器映射功能。

《深入理解Linux内核》

用户态线程

从内核看来，多线程应用程序仅是一个普通的进程。（这就是Java虚拟机中的 1：N 的模型）

多线程应用程序多个执行流的创建、处理、调度都是在用户态进行的。通常使用POSIX兼容的pthread库。

轻量级进程

对多线程应用程序提供更好的支持。两个轻量级进程可以共享一些资源，像地址空间、打开的文件之类的。

将轻量级进程和每个线程关联起来实现的多线程应用程序，有以下优点：通过共享同一内存地址空间、同一打开的文件集来访问相同的应用程序数据结构集；每个线程都可以由内核独立调度，从而其中一个线程睡眠的时候另一个线程还是可以运行。（这就是Java虚拟机中的 1：1 的模型）

多进程与多线程

《C++网络编程 卷一》

多进程与多线程的比较（此处多线程指的是 1：N 模型）

优点：

• 线程创建和环境切换。线程维护的状态信息较进程要少，故在线程创建和环境切换的时候，线程的开销要少。

• 同步。线程的同步不需要OS内核的干预，而进程间的同步则一般需要OS内核的干预（用户态和内核态的切换）。

• 数据复制。线程之间通过“进程局部内存”共享信息，通信将更有效率，因为不需要通过内核来复制（共享内存和本地IPC需要内核复制）。

局限性：

• 性能损失。单处理器无法受益；高精度的锁策略带来高同步开销。

• 健壮性降低。为减少环境切换和同步的开销，线程间接收的“MMU保护”很少或没有。同一进程地址中，若有一个线程破坏了全局变量，则可能会导致整个进程崩溃；或者某一线程调用某些OS函数，会造成不利的影响，如exit()会导致终止整个进程中的所有线程。

• 缺乏高精度的访问控制。同一进程中，所有线程共享相同的用户ID和“对文件和其它被保护资源”的访问权。
  

总结

线程与进程的概念

线程：一组单独的指令序列，运行在进程的上下文中，并共享着同样的代码和全局数据。

进程：程序执行时的一个实例，用以提供“执行程序指令”的环境，一个进程可以是由多个称为线程的执行单元组成的。

多线程与多进程与的区别

通信

线程之间通过“进程局部内存”共享信息，不需要通过内核来复制，通信将更有效率。

进程之间由于独立的空间地址，只能通过显式的IPC机制共享信息。

切换

多进程切换需要系统调度，则资源消耗大，处理时间长；多线程则是较为方便快捷。

多进程切换需要系统调度，可以依靠内核调度功能有效处理进程间阻塞的问题；多线程则是需要自己提供方法，较为复杂。