进程和线程的对比和区别

一、什么是进程，什么是线程？

1.1 进程

• 进程中包括有多个线程，进程与进程之间是相对比较独立的。
• 进程中有一个逻辑内存，每个进程都会有分配到一个独立的内存空间，还分配了一个文件/网络句柄，
• 句柄类似一个标识符，所有的进程所或多或少都有一定的句柄数的引用，句柄实际上是一个指针，指向一块包含具体信息数据的内存，所以句柄是当你要访问该进程时取得的，使用完必须释放。（打个比方，我要使用redis需要打开6379端口，这个时候需要访问句柄，获取到内存地址去访问获取对应的资源来执行该进程）
• 一个进程可以拥有多个句柄数目，但是只有一个进程ID

• 进程不同时刻所引用的句柄数目是不一定的

  
  
   

  

  进程结构

1.2 线程

• 线程中有一个栈内存（很多人把它称为堆栈），主要用来存储局部变量资源或者内存地址
• 还有一个PC块，主要是存储下一条执行指令的地址，PC是指向一块共同的内存（进程里面的被系统分配到的逻辑内存）。
• TCS ：ThreadLocalStorage 主要存储线程自己定义的变量，不想和其他线程进行共享,理解为线程的私有变量。
• 线程共享进程的资源主要有：进程代码块、进程的全局和静态变量、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程当前的目录、进程ID、进程组ID。

二、进程和线程的区别

• 进程是程序资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位。
• 进程有自己的内存地址空间，线程包含在进程的地址空间中。
• 相对于进程与进程之间线程之间通信方式比较方便，线程能共享进程分配到的逻辑内存的资源。也就是说，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，具体共享的内容1.2中介绍线程已经说明。
• 进程的分配开销比线程大，但是进程的健壮性比线程高，因为进程间不会互相影响，线程一个挂掉了可能会造成进程崩溃。
• 也可以这么说，线程是程序执行的单位，进程只是存放线程的容器，容器会提供线程执行的资源。

三、进程和进程之间的通信方式

因为进程与进程之间是相互独立的，所以关于进程之间的通信数据共享复杂，需要用IPC；数据是分开的，同步简单，但是占用内存多，切换复杂，CPU利用率低。

IPC的方式通常有：管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。

3.1 管道

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

3.1.1 管道的特点

• 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
• 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
• 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

3.1.2 原型结构

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

 

管道原型

3.13 示例

单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示：

 

示例

若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。

3.2 有名管道FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

3.2.1 特点

• 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
• FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
• FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

3.2.2 介绍

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。

3.3 消息队列

消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。用户进程可以向消息队列添加消息，也可以向消息队列读取消息。

3.3.1 特点

• 消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
• 消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除，所以另一个进程读写的时候要判断前进程是否已经读完数据。
• 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的指定类型读取。

3.4 信号量

信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

3.4.1 特点

• 信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
• 信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
• 每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
• 支持信号量组。

3.5 共享内存

共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

3.5.1 特点

• 共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
• 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
• 信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。

3.6 五种通信方式的对比

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯
2.FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢
3.消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题
4.信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步
5.共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存。

四、线程与线程之间的通信（多线程）

4.1 同步

4.2 wait和notify/notifyAll机制

4.3 while轮询的方式

4.4 管道通信

4.5 Semaphore 信号量