进程线程

进程和线程有啥区别

正确答案

进程是操作系统资源分配的基本单位，每个进程拥有独立的地址空间、文件描述符、信号处理等资源；线程是CPU调度的基本单位，是进程内的一个执行流，多个线程共享进程的地址空间和系统资源，但拥有各自独立的程序计数器、栈和寄存器状态。线程之间通信更高效，但同步和互斥问题更复杂。

解答思路

从资源管理、调度、通信、创建开销和隔离性五个维度对比线程与进程。首先明确操作系统中"资源分配"和"调度执行"的分离设计思想，然后分析进程作为资源容器的角色，线程作为执行单元的角色。通过举例（如浏览器多标签页使用多进程或多线程）帮助理解实际应用场景。

深度知识讲解

底层实现原理

• 进程管理：进程在操作系统中通过进程控制块（PCB, Process Control Block）进行管理，Linux中用task_struct结构体表示。它包含进程ID、内存映射、打开的文件、信号掩码、调度信息等。

• 线程管理：线程在内核中也通过task_struct表示（在Linux中，线程本质上是"轻量级进程"），但多个线程共享同一组虚拟内存（mm_struct）、文件描述符表（files_struct）等资源。

• 创建机制：Linux使用clone()系统调用来创建线程或进程，是否共享资源由传入的flag决定。例如：

  // 创建线程（共享内存、文件系统、文件描述符）
  clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES, ...)
  
  // 创建独立进程
  clone(SIGCHLD, ...)
  

地址空间与内存共享

• 进程隔离：进程有独立的虚拟地址空间，一个进程无法直接访问另一个进程的数据，必须通过IPC（进程间通信）机制如管道、消息队列、共享内存等。

• 线程共享：线程共享堆、全局变量、静态变量等数据段，但每个线程有自己的栈空间（用于局部变量和函数调用）。这使得线程间通信非常高效，但也容易引发数据竞争。

上下文切换开销

健壮性与隔离性

• 进程隔离：一个进程崩溃不会影响其他进程（具有隔离性）
• 线程影响：一个线程崩溃可能导致整个进程终止（因为共享地址空间）

并发与并行

• 多进程：可利用多核CPU实现并行，但通信成本高
• 多线程：天然适合并发编程，易于共享数据，但需注意同步问题（如使用互斥锁、条件变量）

典型应用场景

扩展知识点

用户级线程 vs 内核级线程

用户级线程

• 由用户空间线程库（如GNU Pthread）管理
• 内核不知道线程存在，调度仍以进程为单位

内核级线程

• 由操作系统直接调度
• 每个线程对应一个内核调度实体（在Linux中即一个task_struct）

现代系统多采用1:1模型（每个用户线程对应一个内核线程），如Linux的NPTL（Native POSIX Thread Library）。

线程同步机制

• 互斥锁（mutex）：防止多个线程同时访问共享资源
• 条件变量（condition variable）：用于线程间等待/通知机制
• 读写锁、自旋锁等

伪代码示例

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

int shared_data = 0;  // 共享变量
pthread_mutex_t lock; // 互斥锁

void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        shared_data++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_mutex_init(&lock, NULL);

    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Final value: %d\n", shared_data); // 应为200000

    pthread_mutex_destroy(&lock);
    return 0;
}

关键点总结

核心要点

1. 创建开销：创建线程比创建进程快
2. 通信效率：线程通信快但需同步；进程通信慢但安全
3. 现代应用：现代操作系统中，线程是提高并发性能的核心手段，但需谨慎处理竞态条件和死锁问题