Liunx系统下的进程与线程

1.    进程、线程的概念

a.    进程是操作系统进行资源分配的单位。

b.    线程(Thread)是程序中独立的指令流，是CPU调度和分派的基本单位。

c.     多进程是指同时运行多种程序。或者一个程序多个进程。

d.    多线程是为了使得多个线程并行的工作以完成多项任务，以提高系统的效率;

进程和线程的主要差别：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。

2.    进程、线程的区别？

1).    相同点：

无论是进程还是线程，对于程序员而言，都是用来实现多任务并发的技术手段。二者都可以独立调度，因此在多任务环境下，功能上并无差异。并且二者都具有各自的实体，是系统独立管理的对象个体。所以在系统层面，都可以通过技术手段实现二者的控制。而且二者所具有的状态都非常相似。而且，在多任务程序中，子进程(子线程)的调度一般与父进程(父线程)平等竞争。

2).    实现方式的差异：

进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。进程的个体间是完全独立的，而线程间是彼此依存的。多进程环境中，任何一个进程的终止，不会影响到其他进程。而多线程环境中，父线程终止，全部子线程被迫终止(没有了资源；前提没有线程分离)。而任何一个子线程终止一般不会影响其他线程，除非子线程执行了exit()系统调用。任何一个子线程执行exit()，全部线程同时灭亡。

i.        不存在只有线程而没有进程的程序。多线程程序中至少有一个主线程，而这个主线程其实就是有main函数的进程。它是整个程序的进程，所有线程都是它的子线程。我们通常把具有多线程的主进程称之为主线程。

ii.        fork()是将父进程的全部资源复制给了子进程。而线程的clone只是复制了一小部分必要的资源。在调用clone时可以通过参数控制要复制的对象。可以说，fork实现的是clone的加强完整版。当然，后来操作系统还进一步优化fork实现——写时复制技术。在子进程需要复制资源(比如子进程执行写入动作更改父进程内存空间)时才复制，否则创建子进程时先不复制。

iii.        vfork()这也是一个系统调用，用来创建一个新的进程。它创建的进程并不复制父进程的资源空间，而是共享，也就说实际上vfork实现的是一个接近线程的实体，只是以进程方式来管理它。并且，vfork()的子进程与父进程的运行时间是确定的：子进程“结束”后父进程才运行。请读者注意“结束”二字。并非子进程完成退出之意，而是子进程返回时。一般采用vfork()的子进程，都会紧接着执行execv启动一个全新的进程，该进程的进程空间与父进程完全独立不相干，所以不需要复制父进程资源空间。此时，execv返回时父进程就认为子进程“结束”了，自己开始运行。实际上子进程继续在一个完全独立的空间运行着。举个例子，比如在一个聊天程序中，弹出了一个视频播放器。你说视频播放器要继承你的聊天程序的进程空间的资源干嘛？莫非视频播放器想要窥探你的聊天隐私不成？懂了吧！

3).     多任务程序设计模式的区别：

i.        资源独立的优点：由于进程间是独立的，所以在设计多进程程序时，需要做到资源独立管理时就有了天然优势，而线程就显得麻烦多了。比如多任务的TCP程序的服务端，父进程执行accept()一个客户端连接请求之后会返回一个新建立的连接的描述符DES，此时如果fork()一个子进程，将DES带入到子进程空间去处理该连接的请求，父进程继续accept等待别的客户端连接请求，这样设计非常简练，而且父进程可以用同一变量(val)保存accept()的返回值，因为子进程会复制val到自己空间，父进程再覆盖此前的值不影响子进程工作。但是如果换成多线程，父线程就不能复用一个变量val多次执行accept()了。因为子线程没有复制val的存储空间，而是使用父线程的，如果子线程在读取val时父线程接受了另一个客户端请求覆盖了该值，则子线程无法继续处理上一次的连接任务了。改进的办法是子线程立马复制val的值在自己的栈区，但父线程必须保证子线程复制动作完成之后再执行新的accept()。但这执行起来并不简单，因为子线程与父线程的调度是独立的，父线程无法知道子线程何时复制完毕。这又得发生线程间通信，子线程复制完成后主动通知父线程。这样一来父线程的处理动作必然不能连贯，比起多进程环境，父线程显得效率有所下降。（可以在主线程直接分配较大的Val数组存放，保证子线程可以共享使用）。

ii.        共享数据的优点：多进程环境间完全独立，要实现通信的话就得采用进程间的通信方式，它们通常都是耗时间的。而线程则不用任何手段数据就是共享的。当然多个子线程在同时执行写入操作时需要实现互斥，否则数据就写“脏”了。

4).    实体间(进程间，线程间，进线程间)通信方式的不同

        i.        进程间的通信方式有这样几种：

A.共享内存    B.消息队列    C.信号量      D.有名管道    E.无名管道    F.信号    G.文件      H.socket

        ii.        线程间的通信方式上述进程间的方式都可沿用(除去F.信号:基于进程为单位)，且还有自己独特的几种：

A.互斥量      B.条件变量     C.自旋锁      D.读写锁       E.线程信号     G.全局变量

iii.        通讯速度：进程间采用的通信方式要么需要切换内核上下文，要么要与外设访问(有名管道，文件)。所以速度会比较慢。而线程采用自己特有的通信方式的话，基本都在自己的进程空间内完成，不存在切换，所以通信速度会较快。

iv.        总结之，进程间的通信方式都是脱离于进程本身存在的，是全系统都可见的。这样一来，进程的单点故障并不会损毁数据，当然这不一定全是优点。比如，进程崩溃前对信号量加锁，崩溃后重启，然后再次进入运行状态，此时直接进行加锁，可能造成死锁，程序再也无法继续运转。再比如，共享内存是全系统可见的，如果你的进程资源被他人误读误写，后果肯定也是你不想要的。所以，各有利弊，关键在于程序设计时如何考量，技术上如何规避。

5).    控制方式的异同

进程与线程的身份标示ID管理方式不一样：

　　i.        进程的ID为pid_t类型，实际为一个int型的变量(也就是说是有限的)，在全系统中，进程ID是唯一标识，对于进程的管理都是通过PID来实现的。每创建一个进程，内核去中就会创建一个Task_Struct结构体来存储该进程的全部信息，每一个存储进程信息的节点也都保存着自己的PID。需要管理该进程时就通过这个ID来实现(比如发送信号)。当子进程结束要回收时(子进程调用exit()退出或代码执行完)，需要通过wait()系统调用来进行，未回收的消亡进程会成为僵尸进程，其进程实体已经不复存在，但会虚占PID资源，因此回收是有必要的。

　　ii.        线程的ID是一个long型pthread_t变量，它的范围大得多，管理方式也不一样。线程ID一般在本进程空间内作用就可以了，当然系统在管理线程时也需要记录其信息。其方式是，在内核创建一个内核态线程与之对应，也就是说每一个用户创建的线程都有一个内核态线程对应。但这种对应关系不是一对一，而是多对一的关系，也就是一个内核态线程可以对应着多个用户级线程。对于线程而言，若要主动终止需要调用pthread_exit() ，主线程需要调用pthread_join()来回收(前提是该线程没有被detached)。像线发送线程信号也是通过线程ID实现的。

6).     资源管理方式的异同

　　i.        进程本身是资源分配的基本单位，因而它的资源都是独立的，如果有多进程间的共享资源，就要用到进程间的通信方式，比如共享内存。共享数据就放在共享内存去，大家都可以访问，为保证数据写入的安全，加上信号量一同使用。一般而言，共享内存都是和信号量一起使用。消息队列则不同，由于消息的收发是原子操作，因而自动实现了互斥，单独使用就是安全的。

　　ii.        线程间要使用共享资源不需要用共享内存，直接使用全局变量即可，或者malloc()动态申请内存。显得方便直接。而且互斥使用的是同一进程空间内的互斥量，所以效率上也有优势。

　　iii.        实际中，为了使程序内资源充分规整，也都采用共享内存来存储核心数据。不管进程还是线程，都采用这种方式。原因之一就是，共享内存是脱离进程的资源，如果进程发生意外终止的话，共享内存可以独立存在不会被回收(是否回收由用户编程实现)。进程的空间在进程崩溃的那一刻也被系统回收了。虽然有coredump机制，但也只能是有限的弥补。共享内存在进程down之后还完整保存，这样可以拿来分析程序的故障原因。同时，运行的宝贵数据没有丢失，程序重启之后还能继续处理之前未完成的任务，这也是采用共享内存的又一大好处。

7).     个体间辈分关系的迥异

　　i.        进程的备份关系森严，在父进程没有结束前，所有的子进程都尊从父子关系，也就是说A创建了B，则A与B是父子关系，B又创建了C，则B与C也是父子关系，A与C构成爷孙关系，也就是说C是A的孙子进程。在系统上使用pstree命令打印进程树，可以清晰看到备份关系。

　　ii.        多线程间的关系没有那么严格，不管是父线程还是子线程创建了新的线程，都是共享父线程的资源，所以，都可以说是父线程的子线程，也就是只存在一个父线程，其余线程都是父线程的子线程。

8).    进程池与线程池的技术实现差别

我们都知道，进程和线程的创建时需要时间的，并且系统所能承受的进程和线程数也是有上限的，这样一来，如果业务在运行中需要动态创建子进程或线程时，系统无法承受不能立即创建的话，必然影响业务。综上，聪明的程序员发明了一种新方法——池。在程序启动时，就预先创建一些子进程或线程，这样在需要用时直接使唤。这就是老人口中的“多生孩子多种树”。程序才开始运行，没有那么多的服务请求，必然大量的进程或线程空闲，这时候一般让他们“冬眠”，这样不耗资源，要不然一大堆孩子的口食也是个负担啊。对于进程和线程而言，方式是不一样的。另外，当你有了任务，要分配给那些孩子的时候，手段也不一样。下面就分别来解说。

　　i.        进程池:

　　　　 a.        首先创建了一批进程，就得管理，也就是你得分开保存进程ID，可以用数组，也可用链表。建议用数组，这样可以实现常数内找到某个线程，而且既然做了进程池，就预先估计好了生产多少进程合适，一般也不会再动态延展。就算要动态延展，也能预估范围，提前做一个足够大的数组。不为别的，就是为了快速响应。本来做进程池的目的也是为了效率。

　　　　b.        接下来就要让闲置进程冬眠了，可以让他们pause()挂起，也可用信号量挂起，还可以用IPC阻塞，方法很多，分析各自优缺点根据实际情况采用就是了。

　　　　c.        然后是分配任务了，当你有任务的时候就要让他干活了。唤醒了进程，让它从哪儿开始干呢？肯定得用到进程间通信了，比如信号唤醒它，然后让它在预先指定的地方去读取任务，可以用函数指针来实现，要让它干什么，就在约定的地方设置代码段指针。这也只是告诉了它怎么干，还没说干什么(数据条件)，再通过共享内存把要处理的数据设置好，这也子进程就知道怎么做了。干完之后再来一次进程间通信然后自己继续冬眠，父进程就知道孩子干完了，收割成果。

　　　　d.        最后结束时回收子进程，向各进程发送信号唤醒，改变激活状态让其主动结束，然后逐个wait()就可以了。

　　ii.        线程池:

线程池的思想与上述类似，只是它更为轻量级，所以调度起来不用等待额外的资源。要让线程阻塞，用条件变量就是了，需要干活的时候父线程改变条件，子线程就被激活。线程间通信方式就不用赘述了，不用繁琐的通信就能达成，比起进程间效率要高一些。线程干完之后自己再改变条件，这样父线程也就知道该收割成果了。整个程序结束时，逐个改变条件并改变激活状态让子线程结束，最后逐个回收即可。

　　iii.        一个进程中最多能开辟几个线程？是否是有限的？为什么能开辟那么多，怎么计算的？线程间什么资源是共享的什么是不共享的？

答：x86 32位系统下，默认情况下，一个线程的栈要预留1M的内存空间,而一个进程中可用的内存空间只有2G，所以理论上一个进程中最多可以开2048个线程,但是内存当然不可能完全拿来作线程的栈，所以实际数目要比这个值要小。每个线程有自己的栈空间，他们共享进程的地址空间，全局变量、文件描述符、信号句柄和当前目录状态等