进程和线程

进程（Process）是程序运行的实例，即软件的执行副本；线程（Thread）是轻量级进程（Light Weighted Process），是程序执行的基本单位。进程是资源分配的基本单位，线程是 CPU 调度的基本单位。

资源分配

进程需分配三类核心资源：

• 计算资源（CPU）：通过调度分配时间片段；
• 内存资源：独立的虚拟地址空间；
• 文件资源：打开的文件、I/O 设备等。

早期 OS 无线程，三类资源全部分配给进程，进程间通过管道等通信。但同一应用常有多个必须"同时进行"的行为（图形渲染、网络、响应用户输入），需将执行单位下沉——仅分配 CPU 资源的执行单元称为线程。

分时与调度

CPU 核心数少（几个到几十个）而进程/线程数多（几十到几百），因此通过分时轮流执行：每个执行单位获得一个时间片段，用尽后挂起、轮到下一个。现代 OS 直接调度线程。

状态转换

进程/线程经历三个基本状态：

• 就绪（Ready）：创建后进入排队；
• 运行（Running）：轮到执行；
• 阻塞（Block）：等待磁盘/打印机等 I/O 时自行进入，待中断通知后回到就绪。

就绪态不能直接转阻塞（排队中无法触发 I/O 读取）；阻塞态收到数据后需重新排队，不能直接回运行态。

进程与线程的表示

OS 在内存中维护进程表与线程表（常驻内核）。

进程表包含：

• 描述信息：PID、名称、所属用户；
• 资源信息：虚拟内存映射、拥有的文件与 I/O 设备；
• 内存布局：进程地址空间分段（代码段、数据段、堆、栈等）。

线程表包含 ThreadID、执行状态、优先级、程序计数器（PC）与所有寄存器的值——因线程共用 CPU、频繁切换，需保存/恢复这些上下文。

用户级线程与内核级线程存在映射关系（如 n-m 多对多）。内核维护内核级线程表；用户级线程执行时才借用内核线程（线程池模式），执行完不销毁、等待下一个任务。

隔离方案

进程间分配彼此完全隔离的地址空间：即便访问相同虚拟地址，物理地址也不同（如 A、B 小区的 808 不是同一套房）。正常情况进程 A 无法访问进程 B 内存，除非利用漏洞或进程间通信手段。

同一进程的多个线程共享该进程的内存资源，仅被分配执行资源。

切换

现代 OS 只有线程切换。每次切换：

1. OS 向 CPU 发中断信号，停止当前线程；
2. CPU 立即停止，尚未保存自身状态；
3. OS 接管，用底层程序（汇编）保存寄存器状态；
4. 执行调度程序，选定下一线程；
5. 恢复该线程寄存器状态后执行。

状态保存/恢复可用栈：中断时压栈关键数据（寄存器），恢复时出栈。

多核

多核系统中可并行执行与核数相同的线程。并发（concurrent）指一段时间内看上去同时执行（不要求多核）；并行（parallel）指绝对同时执行（要求多核）。OS 的保存/恢复能力使线程可在多核间迁移。

创建进程/线程的 API

• fork：创建当前进程的克隆，新进程状态与原进程一致，但拥有独立地址空间。连续多个 fork 会指数级生成进程（n 次 fork 产生 (2^n) 个执行流）。
• exec 类 API：启动全新程序。
• 语言级线程 API：Java 的 Thread 类、Go 的 goroutine（轻量级线程）等。

进程开销为何大于线程

创建进程自然创建主线程。进程需划分完整内存空间、做大量初始化（分段：栈、堆、代码段等）；线程只需确定 PC 与寄存器值、分配一个执行栈，且同进程多线程可复用堆栈。因此创建进程更慢、内存开销更大。频繁处理请求等场景应优先用线程而非进程。

小结

进程承接存储资源、线程承接计算资源，进程包含线程并实现内存隔离。线程切换通过保存/恢复寄存器完成；多核下可并行。计算密集型任务进程开销不可忽略，应倾向多线程或 fork 复用。