进程与线程的概念以及区别

综合了​​进程与线程概念​​和​​进程和线程的区别(超详细)​​两篇博客，两位大佬都写的很好，很仔细，我这里综合一下。

进程：

进程的概念

进程是指一个具有一定独立功能的程序，在一个数据集合上的一次动态执行过程，一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。

如下图所示，源代码文件经过编译链接形成可执行文件，将可执行文件加载进内存进行执行。为什么要加载进内存呢？这是因为负责解析和运行程序的CPU需要通过内部的程序计数器来指定内存地址，然后才能读出程序；并且，加载进内存，能对数据进行处理，让程序能够运行。那CPU不能直接读取外部磁盘的数据和程序吗？可以。但是访问磁盘的速度远远低于访问内存，速度很慢。

进程就体现了，计算机在执行程序，处理数据时，操作系统是如何对这个过程进行维护的。

进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息：
代码；数据；通用寄存器；进程占用系统资源（打开文件，已分配内存等）， 组成进程控制块。

进程的特点

• 动态性：可动态的创建，结束进程
• 并发性：进程可以被独立调度并占用CPU
• 独立性：不同进程的工作互不影响
• 制约性：因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约

进程是操作系统中处于执行状态程序的抽象。
程序 = 文件（静态的可执行文件）
进程 = 执行中的程序 = 程序 + 执行状态
同一个程序的多次执行过程对应为不同的进程。

进程执行需要的资源：

1. 内存
2. CPU

进程与程序的区别：

进程的动态的，程序是静态的
进程是暂时的，程序是永久的
进程与程序的组成不同，进程包括程序，数据和进程控制块

进程的结构

程序，数据和进程控制块

这里详细介绍一下进程控制块
进程控制块：（PCB，process control block）
操作系统管理控制进程运行所用的信息集合。
操作系统用PCB来描述进程的基本情况以及运行变化的过程
PCB是进程存在的唯一标识（每个进程在操作系统中都有一个对应的PCB）

进程创建时生成PCB，进程中止时回收PCB，进程的组织管理通过对PCB的组织管理来实现。

PCB具体包含了哪些信息呢？
进程标识信息，处理机现场保护，进程控制信息
（PC,SP,寄存器，PID,UID，调度优先级，打开文件列表）
控制信息：
调度和状态信息（调度进程和处理机使用情况）
进程间通信信息（进程间通信相关的标识）
存储管理信息（指向进程映像存储空间数据结构）
进程所用资源（进程使用的系统资源，如打开的文件等）
有关数据结构连接信息（与PCB相关的进程队列）

怎么组织进程控制块？

• 链表：同一状态的进程PCB组成一个链表，多个状态对应不同的链表（就绪链表，阻塞链表。。。）
• 索引表：同一状态的进程归入一个索引表（由索引指向PCB）多个状态对应多个不同的索引表（指向PCB的指针放入表中）

进程的生命周期：

进程创建，进程执行，进程等待，进程抢占，进程唤醒，进程结束

进程状态转换：

(三状态进程模型)

（挂起进程模型）

处于挂起状态的进程映像在磁盘上，目的是减少进程占用内存。

线程

为啥会有线程这种东西？
因为有并发进行并且共享数据的这种需求；进程不能满足这种需求吗？进程可以！但是进程来做这样的事情的话，它的开销很大（创建进程，进程结束，进程切换… …）。

多线程的解决思路：

在进程内部增加一类实体，满足以下特性：

• 实体之间可以并发执行
• 实体之间共享相同的地址空间

线程的概念：

线程是进程的一部分，是进程中的一个执行任务（控制单元），描述指令流执行状态，负责当前进程中程序的执行。它是进程中的指令执行流的最小单位，是CPU调度的基本单位。
一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。

这个时候，进程就是资源分配的角色：进程由一组相关资源构成，包括地址空间（代码段，数据段），打开的文件等资源

与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。

线程的特点

线程 = 进程 - 共享资源
线程优点：

1. 一个进程中可以同时存在多个线程。
2. 各个线程之间可以并发的执行。
3. 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源

线程缺点：

• 一个线程崩溃，会导致其所属进程的所有线程崩溃

线程的实现方式：

1. 用户线程：在用户空间实现

POSIX Pthreads,Mach C-threads,Solaris threads
由一组用户级的线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建，终止，同步和调度等
特征：不依赖于操作系统内核（内核不了解用户线程的存在；可用于不支持线程的多进程操作系统）。在用户空间实现的线程机制（每个进程有私有的线程控制块列表；TCB由线程库函数维护）。同一进程内的用户线程切换速度快（无需用户态/内核态的切换）。允许每个进程拥有自己的线程调度算法
缺点：线程发起系统调用而阻塞时，整个进程进入等待；不支持基于线程的处理机抢占；只能按进程分配CPU时间

2. 内核线程：在内核中实现

Windows,Solaris,Linux
进程由内核通过系统调用实现的线程机制，由内核完成线程的创建，终止和管理（内核中PCB中有指针指向线程控制块TCB）
特征：由内核维护PCB和TCB。线程执行系统调用而被阻塞不影响其他线程。线程的创建，终止和切换开销相对较大（通过系统调用/内核函数，在内核实现）。以线程为单位进行CPU时间分配（多线程的进程可获得更多的CPU时间）

3. 轻量级进程：在内核中实现，支持用户线程

Solaris (LightWeight Process)
内核支持的用户线程。一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个轻权进程由一个单独的内核线程来支持（Solaris/Linux）

用户线程与内核线程的对应关系：

1. N个用户线程对应N个内核线程；
2. N个用户线程对应一个内核线程；
3. N个用户线程对应M个内核线程

三种当中，现在的操作系统以第一种为主。

Java多线程

Java 程序天生就是多线程程序，我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码如下。

public class MultiThread {
  public static void main(String[] args) {
    // 获取 Java 线程管理 MXBean
    ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
    // 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息
    ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
    // 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息
    for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
      System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName());
    }
  }
}

上述程序输出如下（输出内容可能不同，不用太纠结下面每个线程的作用，只用知道 main 线程执行 main 方法即可）：

[6] Monitor Ctrl-Break //监听线程转储或“线程堆栈跟踪”的线程
[5] Attach Listener //负责接收到外部的命令，而对该命令进行执行的并且把结果返回给发送者
[4] Signal Dispatcher // 分发处理给 JVM 信号的线程
[3] Finalizer //在垃圾收集前，调用对象 finalize 方法的线程
[2] Reference Handler //用于处理引用对象本身（软引用、弱引用、虚引用）的垃圾回收的线程
[1] main //main 线程,程序入口

从上面的输出内容可以看出：一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其他线程同时运行。

进程与线程的区别总结

线程具有许多传统进程所具有的特征，故又称为轻型进程(Light—Weight Process)或进程元；而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight Process)，它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中，通常一个进程都有若干个线程，至少包含一个线程。

• 根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位
• 资源开销：进程拥有一个完整的资源平台，每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，只独享指令流执行的必要资源，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。所以线程能减少并发执行的时间和空间开销，线程的创建时间比进程短；线程的终止时间比进程短；同一进程内的线程切换时间比进程短；由于同一进程的各线程间共享内存各文件资源，可以不通过内核进行直接通信
• 包含关系：如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
• 内存分配：同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源，而进程之间的地址空间和资源是相互独立的
• 影响关系：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。
• 执行过程：每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行，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，两者均可并发执行

从 JVM 角度说进程和线程之间的关系（重要）

图解进程和线程的关系

下图是 Java 内存区域，通过下图我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系。

从上图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。

程序计数器为什么是私有的?

程序计数器主要有下面两个作用：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

需要注意的是，如果执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。

所以，程序计数器私有主要是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。

虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的?

• 虚拟机栈：每个 Java方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
• 本地方法栈：和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java虚拟机栈合二为一。

所以，为了保证线程中的局部变量不被别的线程访问到，虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。

一句话简单了解堆和方法区

堆和方法区是所有线程共享的资源，其中堆是进程中最大的一块内存，主要用于存放新创建的对象 (所有对象都在这里分配内存)，方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

多进程和多线程区别

• 多进程：操作系统中同时运行的多个程序
• 多线程：在同一个进程中同时运行的多个任务

举个例子，多线程下载软件，可以同时运行多个线程，但是通过程序运行的结果发现，每一次结果都不一致。 因为多线程存在一个特性：随机性。造成的原因：CPU在瞬间不断切换去处理各个线程而导致的，可以理解成多个线程在抢CPU资源。

多线程提高CPU使用率

多线程并不能提高运行速度，但可以提高运行效率，让CPU的使用率更高。但是如果多线程有安全问题或出现频繁的上下文切换时，运算速度可能反而更低。

Java中的多线程

Java程序的进程里有几个线程：主线程，垃圾回收线程(后台线程)等

在 Java 中，当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

Java支持多线程，当Java程序执行main方法的时候，就是在执行一个名字叫做main的线程，可以在main方法执行时，开启多个线程A,B,C，多个线程 main,A,B,C同时执行，相互抢夺CPU，Thread类是java.lang包下的一个常用类,每一个Thread类的对象，就代表一个处于某种状态的线程