进程与线程

操作系统的设计可以归结为三点：

（1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；

（2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；

（3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

进程和线程是操作系统中用于执行程序的基本单位，它们在多任务和多用户环境中非常重要。尽管它们在很多方面相似，但也有一些关键的区别：

进程（Process）

1. 定义：进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它是程序的执行实例，拥有独立的内存空间。
2. 内存：每个进程都有自己的地址空间，这意味着进程间的内存是隔离的，一个进程的变量不会直接影响另一个进程。
3. 创建和销毁：进程的创建和销毁通常涉及较多的资源分配和释放，因此成本较高。
4. 通信：进程间通信（IPC）需要使用特定的机制，如管道、消息队列、共享内存或套接字。
5. 上下文切换：进程间的上下文切换开销较大，因为需要保存和加载不同的内存地址空间。
6. 独立性：进程具有很高的独立性，一个进程的崩溃通常不会直接影响到其他进程。

线程（Thread）

1. 定义：线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。线程自身不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可以与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。
2. 内存：线程共享进程的内存空间，这意味着线程间可以直接访问进程的全局变量和其他资源。
3. 创建和销毁：线程的创建和销毁比进程更快，因为它们不需要独立的内存空间。
4. 通信：线程间通信更简单，因为它们共享相同的内存空间，可以直接读写进程的全局变量。
5. 上下文切换：线程间的上下文切换开销较小，因为它们共享相同的内存空间，不需要重新加载内存页表。
6. 并发性：线程提供了更高的并发性，因为它们可以在同一个进程内同时运行，共享资源。

区别总结

• 资源：进程拥有独立的资源，而线程共享进程的资源。
• 开销：进程的创建和销毁开销大，线程开销小。
• 通信：进程间通信复杂，线程间通信简单。
• 独立性：进程间独立性强，线程间独立性弱。

应用场景

• 多进程：适用于需要高隔离性、稳定性和资源管理的场景，如不同的服务或应用程序。
• 多线程：适用于需要高并发性和资源共享的场景，如用户界面、网络服务器等。

在现代操作系统中，多线程通常比多进程更受欢迎，因为它们可以更有效地利用多核处理器和减少资源消耗。然而，多线程编程也带来了新的挑战，如线程安全和同步问题。

进程与线程的类比

进程（process）和线程（thread）上述特点比较抽象不容易掌握，进程与线程的一个简单解释-CSDN博客进行一个很好的类比，帮助理解记忆：

1.计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。

2.假定工厂的电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。

3.进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。

4.一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

5.线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程（线程是进程中的一个实体）。

6.车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。

7.可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

8.一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。

9.还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。

10.这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。