進程和線程的對比和區別

一、什么是進程，什么是線程？

1.1 進程

• 進程中包括有多個線程，進程與進程之間是相對比較獨立的。
• 進程中有一個邏輯內存，每個進程都會有分配到一個獨立的內存空間，還分配了一個文件/網絡句柄，
• 句柄類似一個標識符，所有的進程所或多或少都有一定的句柄數的引用，句柄實際上是一個指針，指向一塊包含具體信息數據的內存，所以句柄是當你要訪問該進程時取得的，使用完必須釋放。（打個比方，我要使用redis需要打開6379端口，這個時候需要訪問句柄，獲取到內存地址去訪問獲取對應的資源來執行該進程）
• 一個進程可以擁有多個句柄數目，但是只有一個進程ID

• 進程不同時刻所引用的句柄數目是不一定的

  
  
   

  

  進程結構

1.2 線程

• 線程中有一個棧內存（很多人把它稱為堆棧），主要用來存儲局部變量資源或者內存地址
• 還有一個PC塊，主要是存儲下一條執行指令的地址，PC是指向一塊共同的內存（進程里面的被系統分配到的邏輯內存）。
• TCS ：ThreadLocalStorage 主要存儲線程自己定義的變量，不想和其他線程進行共享,理解為線程的私有變量。
• 線程共享進程的資源主要有：進程代碼塊、進程的全局和靜態變量、進程打開的文件描述符、信號的處理器、進程當前的目錄、進程ID、進程組ID。

二、進程和線程的區別

• 進程是程序資源分配的最小單位，線程是程序執行的最小單位。
• 進程有自己的內存地址空間，線程包含在進程的地址空間中。
• 相對於進程與進程之間線程之間通信方式比較方便，線程能共享進程分配到的邏輯內存的資源。也就是說，同一進程下的線程共享全局變量、靜態變量等數據，具體共享的內容1.2中介紹線程已經說明。
• 進程的分配開銷比線程大，但是進程的健壯性比線程高，因為進程間不會互相影響，線程一個掛掉了可能會造成進程崩潰。
• 也可以這么說，線程是程序執行的單位，進程只是存放線程的容器，容器會提供線程執行的資源。

三、進程和進程之間的通信方式

因為進程與進程之間是相互獨立的，所以關於進程之間的通信數據共享復雜，需要用IPC；數據是分開的，同步簡單，但是占用內存多，切換復雜，CPU利用率低。

IPC的方式通常有：管道（包括無名管道和命名管道）、消息隊列、信號量、共享存儲、Socket、Streams等。

3.1 管道

管道，通常指無名管道，是 UNIX 系統IPC最古老的形式。

3.1.1 管道的特點

• 它是半雙工的（即數據只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端。
• 它只能用於具有親緣關系的進程之間的通信（也是父子進程或者兄弟進程之間）。
• 它可以看成是一種特殊的文件，對於它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函數。但是它不是普通的文件，並不屬於其他任何文件系統，並且只存在於內存中。

3.1.2 原型結構

當一個管道建立時，它會創建兩個文件描述符：fd[0]為讀而打開，fd[1]為寫而打開。如下圖：要關閉管道只需將這兩個文件描述符關閉即可。

 

管道原型

3.13 示例

單個進程中的管道幾乎沒有任何用處。所以，通常調用 pipe 的進程接着調用 fork，這樣就創建了父進程與子進程之間的 IPC 通道。如下圖所示：

 

示例

若要數據流從父進程流向子進程，則關閉父進程的讀端（fd[0]）與子進程的寫端（fd[1]）；反之，則可以使數據流從子進程流向父進程。

3.2 有名管道FIFO

FIFO，也稱為命名管道，它是一種文件類型。

3.2.1 特點

• 有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關系進程間的通信。
• FIFO可以在無關的進程之間交換數據，與無名管道不同。
• FIFO有路徑名與之相關聯，它以一種特殊設備文件形式存在於文件系統中。

3.2.2 介紹

FIFO的通信方式類似於在進程中使用文件來傳輸數據，只不過FIFO類型文件同時具有管道的特性。在數據讀出時，FIFO管道中同時清除數據，並且“先進先出”。

3.3 消息隊列

消息隊列，是消息的鏈接表，存放在內核中。一個消息隊列由一個標識符（即隊列ID）來標識。用戶進程可以向消息隊列添加消息，也可以向消息隊列讀取消息。

3.3.1 特點

• 消息隊列是面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及特定的優先級。
• 消息隊列獨立於發送與接收進程。進程終止時，消息隊列及其內容並不會被刪除，所以另一個進程讀寫的時候要判斷前進程是否已經讀完數據。
• 消息隊列可以實現消息的隨機查詢,消息不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的指定類型讀取。

3.4 信號量

信號量（semaphore）與已經介紹過的 IPC 結構不同，它是一個計數器。信號量用於實現進程間的互斥與同步，而不是用於存儲進程間通信數據。

3.4.1 特點

• 信號量用於進程間同步，若要在進程間傳遞數據需要結合共享內存。
• 信號量基於操作系統的 PV 操作，程序對信號量的操作都是原子操作。
• 每次對信號量的 PV 操作不僅限於對信號量值加 1 或減 1，而且可以加減任意正整數。
• 支持信號量組。

3.5 共享內存

共享內存（Shared Memory），指兩個或多個進程共享一個給定的存儲區。

3.5.1 特點

• 共享內存是最快的一種 IPC，因為進程是直接對內存進行存取。
• 因為多個進程可以同時操作，所以需要進行同步。
• 信號量+共享內存通常結合在一起使用，信號量用來同步對共享內存的訪問。

3.6 五種通信方式的對比

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子進程能通訊
2.FIFO：任何進程間都能通訊，但速度慢
3.消息隊列：容量受到系統限制，且要注意第一次讀的時候，要考慮上一次沒有讀完數據的問題
4.信號量：不能傳遞復雜消息，只能用來同步
5.共享內存區：能夠很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一個進程在寫的時候，另一個進程要注意讀寫的問題，相當於線程中的線程安全，當然，共享內存區同樣可以用作線程間通訊，不過沒這個必要，線程間本來就已經共享了同一進程內的一塊內存。

四、線程與線程之間的通信（多線程）

4.1 同步

4.2 wait和notify/notifyAll機制

4.3 while輪詢的方式

4.4 管道通信

4.5 Semaphore 信號量

作者：淺藍色的麻吉
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