深入解析现代计算系统中的进程与线程：基础、生命周期和区别

深入解析现代计算系统中的进程与线程：基础、生命周期和区别

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/lph159/article/details/138269829

1. 进程和线程的基础

进程：是计算机中已运行程序的实例，是操作系统分配资源和调度的基本单位。

线程：是进程的一个实例，是 CPU 调度和执行的单位，一个进程可以包含一个或多个线程，线程间共享进程的资源。

一个进程由以下资源组成：

1. 文本段（Text Segment）：包含程序编译后的机器代码。这部分是进程内存空间的核心，执行的代码在这里运行。

2. 数据段（Data Segment）：存储全局变量、静态变量、常量以及未初始化的变量。

3. 堆（Heap）：用于动态内存分配，当程序运行过程中需要更多的内存时，通过 malloc 或 new 操作符在运行时创建对象，内存从堆上分配。

4. 栈（Stack）：用于存储临时数据，如函数的局部变量、函数参数、返回地址等。

在内存中，堆和栈的物理或虚拟地址分配是由操作系统的内存管理器控制的，它们在进程的地址空间中通常被安排在两端，中间留有足够的空间以供扩展。在许多系统中，栈从高地址向低地址增长（即向堆的方向），而堆则从低地址向高地址增长，两者在内存中相向而行，使可用空间的灵活性最大化。

2. 进程状态和生命周期

进程在其生命周期中的确会经历不同的状态，这些状态反映了进程从创建到终止的整个过程。

1. 开始（Start）：操作系统在这一阶段为进程分配必要的资源和内存，并初始化进程控制块（PCB）

2. 就绪（Ready）：

• 进程在这一状态具备了运行的所有条件（除了CPU资源外）
• 进程也可以从运行状态转回就绪状态（通常是因为它的时间片已用完或更高优先级的进程需要执行）

3. 运行（Running）：

• 进程正在处理器上执行其指定的操作。
• 如果进程需要等待其他资源（如I/O操作、文件等）或者执行完毕，会结束运行状态。

4. 等待（Waiting or Blocked）：

• 当进程需要等待某一事件（例如输入/输出操作完成、信号量操作、获取资源失败等）时，它会转入等待状态。此时进程不占用处理器资源，即使有空闲的处理器也不会被执行（因为要先转到就绪态）
• 一旦等待的事件被满足，进程将转回就绪状态，再次等待处理器的调度

5. 终止（Terminated or Exit）：

• 一旦进程完成了它的执行任务或者被操作系统强制终止，它就进入终止状态。在此状态下，操作系统回收分配给进程的所有资源，包括内存、打开的文件等，并清理其进程控制块。

3. 进程和线程的区别

1. 资源共享（主要区别）：

• 进程：每个进程都有自己独立的内存空间，包括代码、数据和堆等。因此，不同进程之间的资源是不共享的，除非通过进程间通信（IPC）机制如管道、共享内存或信号等。
• 线程：同一进程中的所有线程共享相同的内存空间和资源，如文件描述符和全局变量等。这种共享使得数据的交换和通信更为方便和高效。

2. 开销与性能：

• 进程：创建新进程（重量级操作）需要复制父进程的资源和初始化新的内存空间，这需要较大的开销。进程切换也需要更多的时间和资源，因为它涉及到保存和加载不同进程的内存状态。
• 线程：线程作为轻量级进程，创建和销毁的开销小，切换速度快，因为它们共享相同的内存和资源。线程切换主要涉及保存和加载寄存器、栈和程序计数器的状态。

3. 执行与调度：

• 进程切换（需要与操作系统交互）：在进程切换时，操作系统需要进行完整的上下文切换，包括内存地址空间的转换，这需要与操作系统密切交互，导致切换时间较长。
• 线程切换：线程之间的切换不需要改变内存地址空间，只需调整少量寄存器和堆栈信息。因此，线程切换的开销远小于进程切换。

4. 变量和同步：

• 进程：每个进程操作自己的私有变量，进程间的数据隔离提供了更好的数据安全性，但这也意味着进程间的通信和数据交换更为复杂。
• 线程：由于线程共享内存，一个线程对共享数据的修改可以被同一进程中的其他线程立即看到。这提供了高效的数据交流方式，但也带来了同步和数据一致性的挑战。