進(jìn)程、線程和上下文切換

進(jìn)程是什么？

狹義定義：進(jìn)程是正在運行的程序的實例（an instance of a computer program that is being executed）。

廣義定義：進(jìn)程是一個具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。它是操作系統(tǒng)動態(tài)執(zhí)行的基本單元，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程既是基本的分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。

進(jìn)程的概念主要有兩點：第一,進(jìn)程是一個實體。每一個進(jìn)程都有它自己的地址空間，一般情況下，包括文本區(qū)域（textregion）、數(shù)據(jù)區(qū)域（data region）和堆棧（stack region）。文本區(qū)域存儲處理器執(zhí)行的代碼；數(shù)據(jù)區(qū)域存儲變量和進(jìn)程執(zhí)行期間使用的動態(tài)分配的內(nèi)存；堆棧區(qū)域存儲著活動過程調(diào)用的指令和本地變量。第二，進(jìn)程是一個“執(zhí)行中的程序”。程序是一個沒有生命的實體，只有處理器賦予程序生命時（操作系統(tǒng)執(zhí)行之），它才能成為一個活動的實體，我們稱其為進(jìn)程。[3] 

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中最基本、重要的概念。是多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻畫系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的動態(tài)情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各道程序的活動規(guī)律引進(jìn)的一個概念,所有多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)都建立在進(jìn)程的基礎(chǔ)上。

特征

動態(tài)性：進(jìn)程的實質(zhì)是程序在多道程序系統(tǒng)中的一次執(zhí)行過程，進(jìn)程是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的。

并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以同其他進(jìn)程一起并發(fā)執(zhí)行

獨立性：進(jìn)程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統(tǒng)分配資源和調(diào)度的獨立單位；

異步性：由于進(jìn)程間的相互制約，使進(jìn)程具有執(zhí)行的間斷性，即進(jìn)程按各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)

結(jié)構(gòu)特征：進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三部分組成。

多個不同的進(jìn)程可以包含相同的程序：一個程序在不同的數(shù)據(jù)集里就構(gòu)成不同的進(jìn)程，能得到不同的結(jié)果；但是執(zhí)行過程中，程序不能發(fā)生改變。

線程是什么？

線程，有時被稱為輕量級進(jìn)程(LightweightProcess，LWP），是程序執(zhí)行流的最小單元。一個標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID，當(dāng)前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進(jìn)程中的一個實體，是被系統(tǒng)獨立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點兒在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個線程可以創(chuàng)建和撤消另一個線程，同一進(jìn)程中的多個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運行中呈現(xiàn)出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運行三種基本狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指線程具備運行的所有條件，邏輯上可以運行，在等待處理機(jī)；運行狀態(tài)是指線程占有處理機(jī)正在運行；阻塞狀態(tài)是指線程在等待一個事件（如某個信號量），邏輯上不可執(zhí)行。每一個程序都至少有一個線程，若程序只有一個線程，那就是程序本身。

特點

在多線程OS中，通常是在一個進(jìn)程中包括多個線程，每個線程都是作為利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。

1）輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統(tǒng)資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。

線程的實體包括程序、數(shù)據(jù)和TCB。線程是動態(tài)概念，它的動態(tài)特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

（1）線程狀態(tài)。

（2）當(dāng)線程不運行時，被保存的現(xiàn)場資源。

（3）一組執(zhí)行堆棧。

（4）存放每個線程的局部變量主存區(qū)。

（5）訪問同一個進(jìn)程中的主存和其它資源。

用于指示被執(zhí)行指令序列的程序計數(shù)器、保留局部變量、少數(shù)狀態(tài)參數(shù)和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

2）獨立調(diào)度和分派的基本單位。

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，因而也是獨立調(diào)度和分派的基本單位。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷?。ㄔ谕?/span>進(jìn)程中的）。

3）可并發(fā)執(zhí)行。

在一個進(jìn)程中的多個線程之間，可以并發(fā)執(zhí)行，甚至允許在一個進(jìn)程中所有線程都能并發(fā)執(zhí)行；同樣，不同進(jìn)程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行，充分利用和發(fā)揮了處理機(jī)與外圍設(shè)備并行工作的能力。

4）共享進(jìn)程資源。

在同一進(jìn)程中的各個線程，都可以共享該進(jìn)程所擁有的資源，這首先表現(xiàn)在：所有線程都具有相同的地址空間（進(jìn)程的地址空間），這意味著，線程可以訪問該地址空間的每一個虛地址；此外，還可以訪問進(jìn)程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機(jī)構(gòu)等。由于同一個進(jìn)程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件，所以線程之間互相通信不必調(diào)用內(nèi)核。

進(jìn)程和線程之間的關(guān)系？

1、一個線程只能屬于一個進(jìn)程，而一個進(jìn)程可以有多個線程，但至少有一個線程（通常說的主線程）。
2、資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源。
3、線程在執(zhí)行過程中，需要協(xié)作同步。不同進(jìn)程的線程間要利用消息通信的辦法實現(xiàn)同步。
4、處理機(jī)分給線程，即真正在處理機(jī)上運行的是線程。
5、線程是指進(jìn)程內(nèi)的一個執(zhí)行單元，也是進(jìn)程內(nèi)的可調(diào)度實體。
從三個角度來剖析二者之間的區(qū)別
1、調(diào)度：線程作為調(diào)度和分配的基本單位，進(jìn)程作為擁有資源的基本單位。
2、并發(fā)性：不僅進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，同一個進(jìn)程的多個線程之間也可以并發(fā)執(zhí)行。
3、擁有資源：進(jìn)程是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統(tǒng)資源，但可以訪問隸屬于進(jìn)程的資源。

什么是守護(hù)進(jìn)程？

在linux或者unix操作系統(tǒng)中，守護(hù)進(jìn)程（Daemon）是一種運行在后臺的特殊進(jìn)程，它獨立于控制終端并且周期性的執(zhí)行某種任務(wù)或等待處理某些發(fā)生的事件。由于在linux中，每個系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交流的界面稱為終端，每一個從此終端開始運行的進(jìn)程都會依附于這個終端，這個終端被稱為這些進(jìn)程的控制終端，當(dāng)控制終端被關(guān)閉的時候，相應(yīng)的進(jìn)程都會自動關(guān)閉。但是守護(hù)進(jìn)程卻能突破這種限制，它脫離于終端并且在后臺運行，并且它脫離終端的目的是為了避免進(jìn)程在運行的過程中的信息在任何終端中顯示并且進(jìn)程也不會被任何終端所產(chǎn)生的終端信息所打斷。它從被執(zhí)行的時候開始運轉(zhuǎn)，直到整個系統(tǒng)關(guān)閉才退出。

上下文切換

上下文切換(Context Switch)，也稱為PCB，性質(zhì)為環(huán)境切換。

上下文切換，有時也稱做進(jìn)程切換或任務(wù)切換，是指CPU從一個進(jìn)程或線程切換到另一個進(jìn)程或線程。

在操作系統(tǒng)中，CPU切換到另一個進(jìn)程需要保存當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)并恢復(fù)另一個進(jìn)程的狀態(tài)：當(dāng)前運行任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒（或者掛起、刪除）狀態(tài)，另一個被選定的就緒任務(wù)成為當(dāng)前任務(wù)。上下文切換包括保存當(dāng)前任務(wù)的運行環(huán)境，恢復(fù)將要運行任務(wù)的運行環(huán)境。

進(jìn)程上下文用進(jìn)程的PCB（進(jìn)程控制塊,也稱為PCB，即任務(wù)控制塊）表示，它包括進(jìn)程狀態(tài)，CPU寄存器的值等。

通常通過執(zhí)行一個狀態(tài)保存來保存CPU當(dāng)前狀態(tài)，然后執(zhí)行一個狀態(tài)恢復(fù)重新開始運行。

在上下文切換過程中，CPU會停止處理當(dāng)前運行的程序，并保存當(dāng)前程序運行的具體位置以便之后繼續(xù)運行。從這個角度來看，上下文切換有點像我們同時閱讀幾本書，在來回切換書本的同時我們需要記住每本書當(dāng)前讀到的頁碼。在程序中，上下文切換過程中的“頁碼”信息是保存在進(jìn)程控制塊（PCB）中的。PCB還經(jīng)常被稱作“切換幀”（switchframe）?！绊摯a”信息會一直保存到CPU的內(nèi)存中，直到他們被再次使用。

在三種情況下可能會發(fā)生上下文切換：中斷處理，多任務(wù)處理，用戶態(tài)切換。在中斷處理中，其他程序”打斷”了當(dāng)前正在運行的程序。當(dāng)CPU接收到中斷請求時，會在正在運行的程序和發(fā)起中斷請求的程序之間進(jìn)行一次上下文切換。在多任務(wù)處理中，CPU會在不同程序之間來回切換，每個程序都有相應(yīng)的處理時間片，CPU在兩個時間片的間隔中進(jìn)行上下文切換。對于一些操作系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)行用戶態(tài)切換時也會進(jìn)行一次上下文切換，雖然這不是必須的。

操作系統(tǒng)或者計算機(jī)硬件都支持上下文切換。一些現(xiàn)代操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)本身來控制上下文切換，整個切換過程中并不依賴于硬件的支持，這樣做可以讓操作系統(tǒng)保存更多的上下文切換信息

上下文切換的消耗

上下文切換通常是計算密集型的。也就是說，它需要相當(dāng)可觀的處理器時間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級的時間。所以，上下文切換對系統(tǒng)來說意味著消耗大量的 CPU 時間，事實上，可能是操作系統(tǒng)中時間消耗最大的操作。

性能影響：

上下文切換會對性能造成負(fù)面影響。一些上下文切換相對其他切換而言更加昂貴；其中一個更昂貴的上下文切換是跨核上下文切換（Cross-Core Context Switch）。一個線程可以運行在一個專用處理器上，也可以跨處理器。由單個處理器服務(wù)的線程都有處理器關(guān)聯(lián)（Processor Affinity），這樣會更加有效。在另一個處理器內(nèi)核搶占和調(diào)度線程會引起緩存丟失，作為緩存丟失和過度上下文切換的結(jié)果要訪問本地內(nèi)存?？傊?，這稱為“跨核上下文切換”。