Review

1. 2024-10-05 14:50

[!Summary]

• 进程 是资源分配的最小单位，线程 是CPU调度的最小单位。
• 进程 之间相互独立，线程 之间共享进程的资源。
• 线程 是比进程 更轻量级的并发执行单元。

优化：多机分布用进程，多核分布用线程

一、Introduction #

进程（Process） #

进程 是操作系统分配资源的基本单位，可以理解为一个正在运行的程序的实例。每个进程都有自己独立的内存空间、文件描述符、以及其他系统资源。

• 独立性： 每个进程都有自己独立的地址空间，一个进程崩溃不会影响其他进程。
• 资源分配： 系统为每个进程分配特定的资源，如CPU时间、内存、文件等。
• 创建开销： 创建进程的开销相对较大，因为需要为其分配资源。

进程间通信：通过IPC(进程间通信)机制，如管道、消息队列、共享内存等。

进程有哪些重要资源 #

• 内存段
• 文件描述符表：用于管理进程打开的文件。
• 信号处理函数：用于处理各种信号。
• 进程ID：唯一标识一个进程。
• 当前工作目录：进程当前的工作目录。
• 用户ID和组ID：表示进程的所有者。
• 环境变量：进程的环境变量。

进程内存段主要包括 #

• 代码段（Text Segment）：存放程序的可执行指令。
• 数据段（Data Segment）：存放全局变量和静态变量。
• 堆（Heap）：动态分配内存的区域，用于存放程序运行时动态申请的内存块。
• 栈（Stack）：用于存储函数调用、局部变量、返回地址等信息。

线程（Thread） #

线程 是进程的一个执行单元，是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源。

• 轻量级： 线程比进程更轻量级，创建线程的开销较小。
• 并发： 多个线程可以在同一个进程中并发执行，提高程序的效率。
• 共享： 线程共享进程的内存空间和资源，但每个线程都有自己的栈空间。

线程间通信：可以直接读写进程数据，通信更简单高效。

线程共享进程的资源包括 #

• 代码段：所有线程共享同一个代码段。
• 数据段：所有线程共享同一个数据段，即全局变量和静态变量。
• 堆：所有线程共享同一个堆，但每个线程申请的内存块是独立的。
• 打开的文件：所有线程共享进程打开的文件。
• 信号处理函数：所有线程共享相同的信号处理函数。
• 环境变量：所有线程共享相同的环境变量。

线程独占的资源： #

• 栈（运行时段）：每个线程都有自己的栈，用于存储函数调用、局部变量、临时变量等信息。
• 程序计数器：每个线程都有自己的程序计数器，指示下一条要执行的指令。
• 寄存器：每个线程都有自己的寄存器组，用于保存临时数据。

• 独立性要求高 或 资源消耗大 的任务适合用进程。
• 并发性要求高 或 共享资源多 的任务适合用线程。

扩展 #

• 线程同步： 为了避免多个线程同时访问共享资源导致的数据不一致，需要使用线程同步机制。
• 线程池： 为了避免频繁创建和销毁线程带来的开销，可以使用线程池。
• 死锁： 多个线程在获取资源时相互等待，导致程序无法继续执行。
• 活锁： 线程不断地尝试获取锁，但始终无法获得，导致程序无法取得进展。
• 饥饿： 一个线程一直得不到CPU时间，无法获取锁。

线程同步机制 #

线程同步机制 是为了协调多个线程在共享资源上的访问，确保数据的一致性而采取的一系列方法。当多个线程同时访问共享数据时，如果没有同步机制，可能会导致数据混乱，甚至程序崩溃。

常用的线程同步机制（同步原语） #

• 互斥锁（Mutex）：
  • 任何时候只有一个线程可以获得锁。
  • 获得锁的线程可以访问共享资源，其他线程必须等待。
  • 释放锁后，其他线程才能获取锁。
• 信号量（Semaphore）：
  • 是一种更通用的同步机制，可以控制对共享资源的访问数量。
  • 信号量维护一个计数器，表示可用资源的数量。
  • 当计数器大于0时，线程可以获取资源；当计数器为0时，线程必须等待。
• 条件变量（Condition Variable）：
  • 与互斥锁配合使用，允许线程在满足特定条件时被唤醒。
  • 线程可以等待一个条件变量，直到另一个线程通知该条件变量。
• 读写锁（Reader-Writer Lock）：
  • 允许多个线程同时读取共享数据，但同一时刻只能有一个线程写入共享数据。
• 屏障（Barrier）：
  • 确保多个线程都到达某个点后才能继续执行。

线程同步的应用场景 #

• 共享变量保护： 保护多个线程共享的变量不被同时修改。
• 生产者消费者问题： 生产者线程生产数据，消费者线程消费数据，需要同步机制来协调生产和消费。
• 读者写者问题： 多个线程同时读取共享数据，但同一时刻只能有一个线程写入共享数据。
• 哲学家就餐问题： 多个哲学家共享筷子，需要同步机制来避免死锁。

Reference #