• 进程和线程


        进程,是并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位,是一个动态概念,竟争计算机系统资源的基本单位。每一个进程都有一个自己的地址空间,即进程空间或(虚空间)。进程空间的大小 只与处理机的位数有关,一个 16 位长处理机的进程空间大小为 2^16 ,而 32 位处理机的进程空间大小为 2^32 。

    进程至少有 5 种基本状态,它们是:初始态,执行态,等待状态,就绪状态,终止状态。

        线程,在网络或多用户环境下,一个服务器通常需要接收大量且不确定数量用户的并发请求,为每一个请求都创建一个进程显然是行不通的,——无论是从系统资源开销方面或是响应用户请求的效率方面来看。因此,操作系统中线程的概念便被引进了。线程,是进程的一部分,一个没有线程的进程可以被看作是单线程的。线程有时又被称为轻权进程或轻量级进程,也是 CPU 调度的一个基本单位。

        说到这里,我们对进程与线程都有了一个大体上的印象,现在开始说说二者大致的区别。

        进程的执行过程是线状的,尽管中间会发生中断或暂停,但该进程所拥有的资源只为该线状执行过程服务。一旦发生进程上下文切换,这些资源都是要被保护起来的。这是进程宏观上的执行过程。而进程又可有单线程进程与多线程进程两种。我们知道,进程有 一个进程控制块 PCB ,相关程序段 和 该程序段对其进行操作的数据结构集 这三部分,单线程进程的执行过程在宏观上是线性的,微观上也只有单一的执行过程;而多线程进程在宏观上的执行过程同样为线性的,但微观上却可以有多个执行操作(线程),如不同代码片段以及相关的数据结构集。线程的改变只代表了 CPU 执行过程的改变,而没有发生进程所拥有的资源变化。出了 CPU 之外,计算机内的软硬件资源的分配与线程无关,线程只能共享它所属进程的资源。与进程控制表和 PCB 相似,每个线程也有自己的线程控制表 TCB ,而这个 TCB 中所保存的线程状态信息则要比 PCB 表少得多,这些信息主要是相关指针用堆栈(系统栈和用户栈),寄存器中的状态数据。进程拥有一个完整的虚拟地址空间,不依赖于线程而独立存在;反之,线程是进程的一部分,没有自己的地址空间,与进程内的其他线程一起共享分配给该进程的所有资源

        线程可以有效地提高系统的执行效率,但并不是在所有计算机系统中都是适用的,如某些很少做进程调度和切换的实时系统。使用线程的好处是有多个任务需要处理机处理时,减少处理机的切换时间;而且,线程的创建和结束所需要的系统开销也比进程的创建和结束要小得多。最适用使用线程的系统是多处理机系统和网络系统或分布式系统。

    同一个进程的线程可以共享哪些资源:

    线程共享的环境包括:进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据,线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。

     
        进程拥有这许多共性的同时,还拥有自己的个性。有了这些个性,线程才能实现并发性。这些个性包括:

        1.线程ID
          每个线程都有自己的线程ID,这个ID在本进程中是唯一的。进程用此来标识线程。
     
        2.寄存器组的值
           由于线程间是并发运行的,每个线程有自己不同的运行线索,当从一个线程切换到另一个线程上时,必须将原有的线程的寄存器集合的状态保存,以便
       将来该线程在被重新切换到时能得以恢复。
     
        3.线程的堆栈
           堆栈是保证线程独立运行所必须的。线程函数可以调用函数,而被调用函数中又是可以层层嵌套的,所以线程 必须拥有自己的函数堆栈,使得函数调用可以正常执行,不受其他线程的影响。

        4.错误返回码
           由于同一个进程中有很多个线程在同时运行,可能某个线程进行系统调用后设置了errno值,而在该线程还没有处理这个错误,另外一个线程就在此时
       被调度器投入运行,这样错误值就有可能被修改。
           所以,不同的线程应该拥有自己的错误返回码变量。

        5.线程的信号屏蔽码
           由于每个线程所感兴趣的信号不同,所以线程的信号屏蔽码应该由线程自己管理。但所有的线程都共享同样的信号处理器。

        6.线程的优先级
           由于线程需要像进程那样能够被调度,那么就必须要有可供调度使用的参 数,这个参数就是线程的优先级。

    涉及多线程程序涉及的时候经常会出现一些令人难以思议的事情,用堆和栈分配一个变量可能在以后的执行中产生意想不到的结果,而这个结果的表现就是内存的非法被访问,导致内存的内容被更改。 

      理解这个现象的两个基本概念是:在一个进程的线程共享堆区,而进程中的线程各自维持自己堆栈。 

      另一运行机制就是如果声明一个成员变量如 char Name[200],随着这段代码调用的结束,Name在栈区的地址被释放,而如果是 char * Name = new char[200]; 情况则完全不同,除非显示调用delete否则 Name指向的地址不会被释放。 

      在B中如果用栈区 即采用临时变量的机制分配声明V和堆区,而者的结果是不同的。如果用栈区,如果变量地址为Am1-Am2这么大,退出B调用时候这段地址被释放,C函数可能将这段内存改写;这样当D执行的时候,从内存Am1-Am2中读取的内容就是被改过的了。 

      而如果用New(堆)分配,则不会出现那样的情况,因为没有显示对用delete并且堆对于线程共享,即2线程可以看到1线程在堆里分配的东西,所以不会发生误写。 

      这个问题是笔者在公司实习的时候发现的,因为当时刚刚涉及多线程程序设计,操作系统中如此简单的话题困扰笔者很久,希望可以对初涉C++多线程的读者有所帮助! 2)如果两个线程共享堆,而且都有可能执行内存分配和释放操作,就必须进行同步保护,这个和C类,R类,T类没有关系。你看到的例子两个线程应该是使用各自的堆。 

      在 windows 等平台上,不同线程缺省使用同一个堆,所以用 C 的 malloc (或者 windows 的 GlobalAlloc)分配内存的时候是使用了同步保护的。如果没有同步保护,在两个线程同时执行内存操作的时候会产生竞争条件,可能导致堆内内存管理混乱。比如两个线程分配了统一块内存地址,空闲链表指针错误等。 

      Symbian 的线程一般使用独立的堆空间。这样每个线程可以直接在自己的堆里分配和释放,可以减少同步所引入的开销。当线程退出的时候,系统直接回收线程的堆空间,线程内没有释放的内存空间也不会造成进程内的内存泄漏。 

      但是两个线程使用共用堆的时候,就必须用 critical section 或者 mutex 进行同步保护。否则程序崩溃时早晚的事。如果你的线程需要在共用堆上无规则的分配和释放任何数量和类型的对象,可以定制一个自己的 allcator,在 allocator 内部使用同步保护。线程直接使用这个 allocator 分配内存就可以了。这相当于实现自己的 malloc,free。但是更建议你重新审查一下自己的系统,因为这种情况大多数是不必要的。经过良好的设计,线程的本地堆应该能够满足大多数对象的需求。如果有某一类对象需要在共享堆上创建和共享,这种需求是比较合理的,可以在这个类的 new 和 delete 上实现共享保护。

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    1. 线程的执行特性。

        线程只有 3 个基本状态:就绪,执行,阻塞。

        线程存在 5 种基本操作来切换线程的状态:派生,阻塞,激活,调度,结束。

    2. 进程通信。

        单机系统中进程通信有 4 种形式:主从式,会话式,消息或邮箱机制,共享存储区方式。

            主从式典型例子:终端控制进程和终端进程。

            会话式典型例子:用户进程与磁盘管理进程之间的通信。

    简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程. 
    线程的划分尺度小于进程,使得多线程程序的并发性高。
    另外,进程在执行过程中拥有独立的内存单元,而多个线程共享内存,从而极大地提高了程序的运行效率。
    线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
    从逻辑角度来看,多线程的意义在于一个应用程序中,有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用,来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

    进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位.
    线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源.
    一个线程可以创建和撤销另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行.

    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。

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