進程和線程：進程的開銷比線程大在了哪裏？

不知你在面試中是否遇到過這樣的問題，題目很短，看似簡單，但在回答時又感覺有點喫力？比如下面這兩個問題：

進程內部都有哪些數據？

爲什麼創建進程的成本很高？

這樣的問題確實不好回答，除非你真正理解了進程和線程的原理，否則很容易掉入面試大坑。

進程和線程

進程（Process），顧名思義就是正在執行的應用程序，是軟件的執行副本。而線程是輕量級的進程。進程是分配資源的基礎單位。而線程很長一段時間被稱作輕量級進程（Light Weighted Process），是程序執行的基本單位。

在計算機剛剛誕生的年代，程序員拿着一個寫好程序的閃存卡，插到機器裏，然後電能推動芯片計算，芯片每次從閃存卡中讀出一條指令，執行後接着讀取下一條指令。閃存中的所有指令執行結束後，計算機就關機。一開始，這種單任務的模型，在那個時代叫作作業（Job），當時計算機的設計就是希望可以多處理作業。圖形界面出現後，人們開始利用計算機進行辦公、購物、聊天、打遊戲等，因此一臺機器正在執行的程序會被隨時切來切去。於是人們想到，設計進程和線程來解決這個問題。

每一種應用，比如遊戲，執行後是一個進程。但是遊戲內部需要圖形渲染、需要網絡、需要響應用戶操作，這些行爲不可以互相阻塞，必須同時進行，這樣就設計成線程。

資源分配問題

設計進程和線程，操作系統需要思考分配資源。最重要的 3 種資源是：計算資源（CPU）、內存資源和文件資源。

早期的 OS 設計中沒有線程，3 種資源都分配給進程，多個進程通過分時技術交替執行，進程之間通過管道技術等進行通信。但是這樣做的話，設計者們發現用戶（程序員），一個應用往往需要開多個進程，因爲應用總是有很多必須要並行做的事情。並行並不是說絕對的同時，而是說需要讓這些事情看上去是同時進行的——比如圖形渲染和響應用戶輸入。於是設計者們想到了，進程下面，需要一種程序的執行單位，僅僅被分配 CPU 資源，這就是線程。

輕量級進程

線程設計出來後，因爲只被分配了計算資源（CPU），因此被稱爲輕量級進程。被分配的方式，就是由操作系統調度線程。操作系統創建一個進程後，進程的入口程序被分配到了一個主線程執行，這樣看上去操作系統是在調度進程，其實是調度進程中的線程。這種被操作系統直接調度的線程，我們也稱爲內核級線程。另外，有的程序語言或者應用，用戶（程序員）自己還實現了線程。相當於操作系統調度主線程，主線程的程序用算法實現子線程，這種情況我們稱爲用戶級線程。Linux 的 PThread API 就是用戶級線程，KThread API 則是內核級線程。

分時和調度

因爲通常機器中 CPU 核心數量少（從幾個到幾十個）、進程 & 線程數量很多（從幾十到幾百甚至更多），你可以類比爲發動機少，而機器多，因此進程們在操作系統中只能排着隊一個個執行。每個進程在執行時都會獲得操作系統分配的一個時間片段，如果超出這個時間，就會輪到下一個進程（線程）執行。再強調一下，現代操作系統都是直接調度線程，不會調度進程。

分配時間片段

如下圖所示，進程 1 需要 2 個時間片段，進程 2 只有 1 個時間片段，進程 3 需要 3 個時間片段。因此當進程 1 執行到一半時，會先掛起，然後進程 2 開始執行；進程 2 一次可以執行完，然後進程 3 開始執行，不過進程 3 一次執行不完，在執行了 1 個時間片段後，進程 1 開始執行；就這樣如此週而復始。這個就是分時技術。

下面這張圖更加直觀一些，進程 P1 先執行一個時間片段，然後進程 P2 開始執行一個時間片段， 然後進程 P3，然後進程 P4……

注意，上面的兩張圖是以進程爲單位演示，如果換成線程，操作系統依舊是這麼處理。

進程和線程的狀態

一個進程（線程）運行的過程，會經歷以下 3 個狀態：

進程（線程）創建後，就開始排隊，此時它會處在 “就緒”（Ready）狀態；當輪到該進程（線程）執行時，會變成 “運行”（Running）狀態；當一個進程（線程）將操作系統分配的時間片段用完後，會回到 “就緒”（Ready）狀態。我這裏一直用進程 (線程）是因爲舊的操作系統調度進程，沒有線程；現代操作系統調度線程。有時候一個進程（線程）會等待磁盤讀取數據，或者等待打印機響應，此時進程自己會進入 “阻塞”（Block）狀態。因爲這時計算機的響應不能馬上給出來，而是需要等待磁盤、打印機處理完成後，通過中斷通知 CPU，然後 CPU 再執行一小段中斷控制程序，將控制權轉給操作系統，操作系統再將原來阻塞的進程（線程）置爲 “就緒”（Ready）狀態重新排隊。而且，一旦一個進程（線程）進入阻塞狀態，這個進程（線程）此時就沒有事情做了，但又不能讓它重新排隊（因爲需要等待中斷），所以進程（線程）中需要增加一個 “阻塞”（Block）狀態。

注意，因爲一個處於 “就緒”（Ready）的進程（線程）還在排隊，所以進程（線程）內的程序無法執行，也就是不會觸發讀取磁盤數據的操作，這時，“就緒”（Ready）狀態無法變成阻塞的狀態，因此下圖中沒有從就緒到阻塞的箭頭。而處於 “阻塞”（Block）狀態的進程（線程）如果收到磁盤讀取完的數據，它又需要重新排隊，所以它也不能直接回到 “運行”（Running）狀態，因此下圖中沒有從阻塞態到運行態的箭頭。

進程和線程的設計

接下來我們思考幾個核心的設計約束：

進程和線程在內存中如何表示？需要哪些字段？

進程代表的是一個個應用，需要彼此隔離，這個隔離方案如何設計？

操作系統調度線程，線程間不斷切換，這種情況如何實現？

需要支持多 CPU 核心的環境，針對這種情況如何設計？

接下來我們來討論下這 4 個問題。

進程和線程的表示

可以這樣設計，在內存中設計兩張表，一張是進程表、一張是線程表。進程表記錄進程在內存中的存放位置、PID 是多少、當前是什麼狀態、內存分配了多大、屬於哪個用戶等，這就有了進程表。如果沒有這張表，進程就會丟失，操作系統不知道自己有哪些進程。這張表可以考慮直接放到內核中。細分的話，進程表需要這幾類信息。

描述信息：這部分是描述進程的唯一識別號，也就是 PID，包括進程的名稱、所屬的用戶等。

資源信息：這部分用於記錄進程擁有的資源，比如進程和虛擬內存如何映射、擁有哪些文件、在使用哪些 I/O 設備等，當然 I/O 設備也是文件。

內存佈局：操作系統也約定了進程如何使用內存。如下圖所示，描述了一個進程大致內存分成幾個區域，以及每個區域用來做什麼。每個區域我們叫作一個段。

操作系統還需要一張表來管理線程，這就是線程表。線程也需要 ID， 可以叫作 ThreadID。然後線程需要記錄自己的執行狀態（阻塞、運行、就緒）、優先級、程序計數器以及所有寄存器的值等等。線程需要記錄程序計數器和寄存器的值，是因爲多個線程需要共用一個 CPU，線程經常會來回切換，因此需要在內存中保存寄存器和 PC 指針的值。用戶級線程和內核級線程存在映射關係，因此可以考慮在內核中維護一張內核級線程的表，包括上面說的字段。如果考慮到這種映射關係，比如 n-m 的多對多映射，可以將線程信息還是存在進程中，每次執行的時候才使用內核級線程。相當於內核中有個線程池，等待用戶空間去使用。每次用戶級線程把程序計數器等傳遞過去，執行結束後，內核線程不銷燬，等待下一個任務。這裏其實有很多靈活的實現，總體來說，創建進程開銷大、成本高；創建線程開銷小，成本低。

隔離方案

操作系統中運行了大量進程，爲了不讓它們互相干擾，可以考慮爲它們分配彼此完全隔離的內存區域，即便進程內部程序讀取了相同地址，而實際的物理地址也不會相同。這就好比 A 小區的 10 號樓 808 和 B 小區的 10 號樓 808 不是一套房子，這種方法叫作地址空間。所以在正常情況下進程 A 無法訪問進程 B 的內存，除非進程 A 找到了某個操作系統的漏洞，惡意操作了進程 B 的內存。對於一個進程的多個線程來說，可以考慮共享進程分配到的內存資源，這樣線程就只需要被分配執行資源。

進程（線程）切換

進程（線程）在操作系統中是不斷切換的，現代操作系統中只有線程的切換。每次切換需要先保存當前寄存器的值的內存，注意 PC 指針也是一種寄存器。當恢復執行的時候，就需要從內存中讀出所有的寄存器，恢復之前的狀態，然後執行。

上面講到的內容，我們可以概括爲以下 5 個步驟：

當操作系統發現一個進程（線程）需要被切換的時候，直接控制 PC 指針跳轉是非常危險的事情，所以操作系統需要發送一個 “中斷” 信號給 CPU，停下正在執行的進程（線程）。

當 CPU 收到中斷信號後，正在執行的進程（線程）會立即停止。注意，因爲進程（線程）馬上被停止，它還來不及保存自己的狀態，所以後續操作系統必須完成這件事情。

操作系統接管中斷後，趁寄存器數據還沒有被破壞，必須馬上執行一小段非常底層的程序（通常是彙編編寫），幫助寄存器保存之前進程（線程）的狀態。

操作系統保存好進程狀態後，執行調度程序，決定下一個要被執行的進程（線程）。

最後，操作系統執行下一個進程（線程）。

當然，一個進程（線程）被選擇執行後，它會繼續完成之前被中斷時的任務，這需要操作系統來執行一小段底層的程序幫助進程（線程）恢復狀態。一種可能的算法就是通過棧這種數據結構。進程（線程）中斷後，操作系統負責壓棧關鍵數據（比如寄存器）。恢復執行時，操作系統負責出棧和恢復寄存器的值。

多核處理

在多核系統中我們上面所講的設計原則依然成立，只不過動力變多了，可以並行執行的進程（線程）。通常情況下，CPU 有幾個核，就可以並行執行幾個進程（線程）。這裏強調一個概念，我們通常說的併發，英文是 concurrent，指的在一段時間內幾個任務看上去在同時執行（不要求多核）；而並行，英文是 parallel，任務必須絕對的同時執行（要求多核）。

比如一個 4 核的 CPU 就好像擁有 4 條流水線，可以並行執行 4 個任務。一個進程的多個線程執行過程則會產生競爭條件。因爲操作系統提供了保存、恢復進程狀態的能力，使得進程（線程）也可以在多個核心之間切換。

創建進程（線程）的 API

用戶想要創建一個進程，最直接的方法就是從命令行執行一個程序，或者雙擊打開一個應用。但對於程序員而言，顯然需要更好的設計。站在設計者的角度，你可以這樣思考：首先，應該有 API 打開應用，比如可以通過函數打開某個應用；另一方面，如果程序員希望執行完一段代價昂貴的初始化過程後，將當前程序的狀態複製好幾份，變成一個個單獨執行的進程，那麼操作系統提供了 fork 指令。

也就是說，每次 fork 會多創造一個克隆的進程，這個克隆的進程，所有狀態都和原來的進程一樣，但是會有自己的地址空間。如果要創造 2 個克隆進程，就要 fork 兩次。你可能會問：那如果我就是想啓動一個新的程序呢？我在上文說過：操作系統提供了啓動新程序的 API。你可能還會問：如果我就是想用一個新進程執行一小段程序，比如說每次服務端收到客戶端的請求時，我都想用一個進程去處理這個請求。如果是這種情況，我建議你不要單獨啓動進程，而是使用線程。因爲進程的創建成本實在太高了，因此不建議用來做這樣的事情：要創建條目、要分配內存，特別是還要在內存中形成一個個段，分成不同的區域。所以通常，我們更傾向於多創建線程。不同程序語言會自己提供創建線程的 API，比如 Java 有 Thread 類；go 有 go-routine（注意不是協程，是線程）。

總結

本講我們學習了進程和線程的基本概念。瞭解了操作系統如何調度進程（線程）和分時算法的基本概念，然後瞭解進程（線程）的 3 種基本狀態。線程也被稱作輕量級進程，由操作系統直接調度的，是內核級線程。我們還學習了線程切換保存、恢復狀態的過程。我們發現進程和線程是操作系統爲了分配資源設計的兩個概念，進程承接存儲資源，線程承接計算資源。而進程包含線程，這樣就可以做到進程間內存隔離。這是一個非常巧妙的設計，概念清晰，思路明確，你以後做架構的時候可以多參考這樣的設計。如果只有進程，或者只有線程，都不能如此簡單的解決我們遇到的問題。

那麼通過這次學習，你現在可以來回答本節關聯的面試題目：進程的開銷比線程大在了哪裏？

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