操作系统中进程与线程的深度解析：区别与切换机制

前言

我们还探讨了进程的状态模型。进程可以处于就绪、运行、阻塞和结束等不同的状态。

在本篇文章中，我将探讨研究进程的状态模型、控制结构和切换机制。希望通过这篇文章的分享，能够帮助更多的人理解和掌握进程管理的知识，为他们在计算机领域的学习和工作提供帮助。

进程的控制结构

也可以说是数据结构，毕竟操作系统也是一个进程，只要是应用程序就必然符合一条定律：程序=算法+数据结构，进程作为一种抽象概念，可将其视为一个容器，该容器聚集了相关资源，包括地址空间，线程，打开的文件，保护许可等。因此对于单个进程，可以基于一种数据结构来表示它，这种数据结构称之为进程控制块(PCB)，这人家的专有名词；

每个进程都有一个唯一的PCB作为其标识，当进程被销毁时，PCB也会随之消失。如下：

PCB之间通过链表连接，形成各种队列，如就绪队列和阻塞队列。比如：

1. 就绪队列：把所有就绪状态的PCB链在一起；
2. 阻塞队列：把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起

另外，在单核CPU系统中，只有一个运行指针，因为在某个时刻，只能运行一个程序。

进程的切换

进程的切换是为了保证每个进程都能获得公平的CPU时间片来执行自己的程序，这也叫做上下文切换，上下文切换涉及以下内容：

1. 存储进程的相关信息，如计数器、寄存器等，以便在切换回来时能正常加载。
2. 更新进程的状态，如从运行态切换到就绪态等。
3. 将当前进程放入就绪队列或阻塞队列中。
4. 根据调度算法从就绪队列中选择一个进程加载并运行。
5. 更新内存管理的数据结构(建立虚拟内存与物理内存的关系)。
6. 新进程将自己的堆栈信息加载到CPU的计数器和寄存器中，占用时间片。

发生进程上下文切换有哪些场景？

时间片用完，强制进行上下文切换。

内存不足，将无用的进程交换出去挂起，待资源充足后再切换回来。

进程调用sleep函数进入睡眠状态，让出CPU，需要重新进行系统调度（对于线程也适用）。

有更高优先级的程序需要运行，当前进程需要让出CPU，确保高优先级进程能使用时间片。

发生硬件中断时，CPU立即处理相关中断服务程序，如键盘输入。即使是单核CPU，也能良好处理中断程序和进程之间的时间片占用。不必担心持续敲击键盘会导致系统崩溃，尤其现在大多数是多核处理器。

线程

在早期的操作系统中，以进程作为独立运行的基本单位，直到后来计算机科学家们提出了更小的能独立运行的基本单位，即线程。

程是进程中的一条执行流程，多个线程可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程都有一套独立的寄存器和栈，确保线程的控制流是相对独立的。可以将线程视为CPU调度的基本单位。可以想象一个我们的Java多线程，代码公用、全局变量公用等，但是进程会控制好线程自己的独立栈信息等；

线程的上下文切换

线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

线程的上下文切换是指在切换线程时，需要保存和恢复线程的执行上下文。与进程相比，线程上下文切换的代价要小得多。

如果一个进程只有主线程，那么线程的切换流程与进程切换相同。

如果是进程内的某个线程进行切换，代价会更小。只需要保存线程的相关寄存器和计数器等信息，因为其他资源和虚拟内存是进程内共享的，无需切换。因此，线程的上下文切换开销较进程小很多。

总结

进程和线程是操作系统中的两个重要概念。进程是程序的一次执行过程，拥有自己的地址空间和资源，是资源分配的基本单位。进程之间通过上下文切换来共享CPU，保证公平分配。进程切换涉及到保存和加载进程的相关信息、状态变更、队列操作、调度算法等。

线程是进程中的独立执行流程，可以共享进程的资源，但有独立的寄存器和栈。线程的上下文切换相比进程较小，只需要保存线程的相关寄存器和计数器等信息。

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