进程与线程的一个简单解释
2016-01-11 10:47
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进程(process)和线程(thread)是操作系统的基本概念,但是它们比较抽象,不容易掌握。
最近,我读到一篇材料,发现有一个很好的类比,可以把它们解释地清晰易懂。
1.
计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂,时刻在运行。
2.
假定工厂的电力有限,一次只能供给一个车间使用。也就是说,一个车间开工的时候,其他车间都必须停工。背后的含义就是,单个CPU一次只能运行一个任务。
3.
进程就好比工厂的车间,它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻,CPU总是运行一个进程,其他进程处于非运行状态。
4.
一个车间里,可以有很多工人。他们协同完成一个任务。
5.
线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。
6.
车间的空间是工人们共享的,比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可以使用这些共享内存。
7.
可是,每间房间的大小不同,有些房间最多只能容纳一个人,比如厕所。里面有人的时候,其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。
8.
一个防止他人进入的简单方法,就是门口加一把锁。先到的人锁上门,后到的人看到上锁,就在门口排队,等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"(Mutual
exclusion,缩写 Mutex),防止多个线程同时读写某一块内存区域。
9.
还有些房间,可以同时容纳n个人,比如厨房。也就是说,如果人数大于n,多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域,只能供给固定数目的线程使用。
10.
这时的解决方法,就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙,出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了,就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"(Semaphore),用来保证多个线程不会互相冲突。
不难看出,mutex是semaphore的一种特殊情况(n=1时)。也就是说,完全可以用后者替代前者。但是,因为mutex较为简单,且效率高,所以在必须保证资源独占的情况下,还是采用这种设计。
11.
操作系统的设计,因此可以归结为三点:
(1)以多进程形式,允许多个任务同时运行;
(2)以多线程形式,允许单个任务分成不同的部分运行;
(3)提供协调机制,一方面防止进程之间和线程之间产生冲突,另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。
抛开各种技术细节,从应用程序角度讲:
1、在单核计算机里,有一个资源是无法被多个程序并行使用的:cpu。
没有操作系统的情况下,一个程序一直独占着全都cpu。
如果要有两个任务来共享同一个CPU,程序员就需要仔细地为程序安排好运行计划--某时刻cpu和由程序A来独享,下一时刻cpu由程序B来独享
而这种安排计划后来成为OS的核心组件,被单独名命为“scheduler”,即“调度器”,它关心的只是怎样把单个cpu的运行拆分成一段一段的“运行片”,轮流分给不同的程序去使用,而在宏观上,因为分配切换的速度极快,就制造出多程序并行在一个cpu上的假象。
2、在单核计算机里,有一个资源可以被多个程序共用,然而会引出麻烦:内存。
在一个只有调度器,没有内存管理组件的操作系统上,程序员需要手工为每个程序安排运行的空间 -- 程序A使用物理地址0x00-0xff,程序B使用物理地址0x100-0x1ff,等等。
然而这样做有个很大的问题:每个程序都要协调商量好怎样使用同一个内存上的不同空间,软件系统和硬件系统千差万别,使这种定制的方案没有可行性。
为了解决这个麻烦,计算机系统引入了“虚拟地址”的概念,从三方面入手来做:
2.1、硬件上,CPU增加了一个专门的模块叫MMU,负责转换虚拟地址和物理地址。
2.2、操作系统上,操作系统增加了另一个核心组件:memory management,即内存管理模块,它管理物理内存、虚拟内存相关的一系列事务。
2.3、应用程序上,发明了一个叫做【进程】的模型,(注意)每个进程都用【完全一样的】虚拟地址空间,然而经由操作系统和硬件MMU协作,映射到不同的物理地址空间上。不同的【进程】,都有各自独立的物理内存空间,不用一些特殊手段,是无法访问别的进程的物理内存的。
3、现在,不同的应用程序,可以不关心底层的物理内存分配,也不关心CPU的协调共享了。然而还有一个问题存在:有一些程序,想要共享CPU,【并且还要共享同样的物理内存】,这时候,一个叫【线程】的模型就出现了,它们被包裹在进程里面,在调度器的管理下共享CPu,拥有同样的虚拟地址空间,同时也共享同一个物理地址空间,然而,它们无法越过包裹自己的进程,去访问别一个进程的物理地址空间。
4、进程之间怎样共享同一个物理地址空间呢?不同的系统方法各异,符合posix规范的操作系统都提供了一个接口,叫mmap,可以把一个物理地址空间映射到不同的进程中,由不同的进程来共享。
5、PS:在有的操作系统里,进程不是调度单位(即不能被调度器使用),线程是最基本的调度单位,调度器只调度线程,不调度进程,比如VxWorks
最近,我读到一篇材料,发现有一个很好的类比,可以把它们解释地清晰易懂。
1.
计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂,时刻在运行。
2.
假定工厂的电力有限,一次只能供给一个车间使用。也就是说,一个车间开工的时候,其他车间都必须停工。背后的含义就是,单个CPU一次只能运行一个任务。
3.
进程就好比工厂的车间,它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻,CPU总是运行一个进程,其他进程处于非运行状态。
4.
一个车间里,可以有很多工人。他们协同完成一个任务。
5.
线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。
6.
车间的空间是工人们共享的,比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可以使用这些共享内存。
7.
可是,每间房间的大小不同,有些房间最多只能容纳一个人,比如厕所。里面有人的时候,其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。
8.
一个防止他人进入的简单方法,就是门口加一把锁。先到的人锁上门,后到的人看到上锁,就在门口排队,等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"(Mutual
exclusion,缩写 Mutex),防止多个线程同时读写某一块内存区域。
9.
还有些房间,可以同时容纳n个人,比如厨房。也就是说,如果人数大于n,多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域,只能供给固定数目的线程使用。
10.
这时的解决方法,就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙,出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了,就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"(Semaphore),用来保证多个线程不会互相冲突。
不难看出,mutex是semaphore的一种特殊情况(n=1时)。也就是说,完全可以用后者替代前者。但是,因为mutex较为简单,且效率高,所以在必须保证资源独占的情况下,还是采用这种设计。
11.
操作系统的设计,因此可以归结为三点:
(1)以多进程形式,允许多个任务同时运行;
(2)以多线程形式,允许单个任务分成不同的部分运行;
(3)提供协调机制,一方面防止进程之间和线程之间产生冲突,另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。
抛开各种技术细节,从应用程序角度讲:
1、在单核计算机里,有一个资源是无法被多个程序并行使用的:cpu。
没有操作系统的情况下,一个程序一直独占着全都cpu。
如果要有两个任务来共享同一个CPU,程序员就需要仔细地为程序安排好运行计划--某时刻cpu和由程序A来独享,下一时刻cpu由程序B来独享
而这种安排计划后来成为OS的核心组件,被单独名命为“scheduler”,即“调度器”,它关心的只是怎样把单个cpu的运行拆分成一段一段的“运行片”,轮流分给不同的程序去使用,而在宏观上,因为分配切换的速度极快,就制造出多程序并行在一个cpu上的假象。
2、在单核计算机里,有一个资源可以被多个程序共用,然而会引出麻烦:内存。
在一个只有调度器,没有内存管理组件的操作系统上,程序员需要手工为每个程序安排运行的空间 -- 程序A使用物理地址0x00-0xff,程序B使用物理地址0x100-0x1ff,等等。
然而这样做有个很大的问题:每个程序都要协调商量好怎样使用同一个内存上的不同空间,软件系统和硬件系统千差万别,使这种定制的方案没有可行性。
为了解决这个麻烦,计算机系统引入了“虚拟地址”的概念,从三方面入手来做:
2.1、硬件上,CPU增加了一个专门的模块叫MMU,负责转换虚拟地址和物理地址。
2.2、操作系统上,操作系统增加了另一个核心组件:memory management,即内存管理模块,它管理物理内存、虚拟内存相关的一系列事务。
2.3、应用程序上,发明了一个叫做【进程】的模型,(注意)每个进程都用【完全一样的】虚拟地址空间,然而经由操作系统和硬件MMU协作,映射到不同的物理地址空间上。不同的【进程】,都有各自独立的物理内存空间,不用一些特殊手段,是无法访问别的进程的物理内存的。
3、现在,不同的应用程序,可以不关心底层的物理内存分配,也不关心CPU的协调共享了。然而还有一个问题存在:有一些程序,想要共享CPU,【并且还要共享同样的物理内存】,这时候,一个叫【线程】的模型就出现了,它们被包裹在进程里面,在调度器的管理下共享CPu,拥有同样的虚拟地址空间,同时也共享同一个物理地址空间,然而,它们无法越过包裹自己的进程,去访问别一个进程的物理地址空间。
4、进程之间怎样共享同一个物理地址空间呢?不同的系统方法各异,符合posix规范的操作系统都提供了一个接口,叫mmap,可以把一个物理地址空间映射到不同的进程中,由不同的进程来共享。
5、PS:在有的操作系统里,进程不是调度单位(即不能被调度器使用),线程是最基本的调度单位,调度器只调度线程,不调度进程,比如VxWorks
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