進程、線程和上下文切換

進程是什么？

狹義定義：進程是正在運行的程序的實例（an instance of a computer program that is being executed）。

廣義定義：進程是一個具有一定獨立功能的程序關于某個數據集合的一次運行活動。它是操作系統動態執行的基本單元，在傳統的操作系統中，進程既是基本的分配單元，也是基本的執行單元。

進程的概念主要有兩點：第一,進程是一個實體。每一個進程都有它自己的地址空間，一般情況下，包括文本區域（textregion）、數據區域（data region）和堆棧（stack region）。文本區域存儲處理器執行的代碼；數據區域存儲變量和進程執行期間使用的動態分配的內存；堆棧區域存儲著活動過程調用的指令和本地變量。第二，進程是一個“執行中的程序”。程序是一個沒有生命的實體，只有處理器賦予程序生命時（操作系統執行之），它才能成為一個活動的實體，我們稱其為進程。[3] 

進程是操作系統中最基本、重要的概念。是多道程序系統出現后，為了刻畫系統內部出現的動態情況，描述系統內部各道程序的活動規律引進的一個概念,所有多道程序設計操作系統都建立在進程的基礎上。

特征

動態性：進程的實質是程序在多道程序系統中的一次執行過程，進程是動態產生，動態消亡的。

并發性：任何進程都可以同其他進程一起并發執行

獨立性：進程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統分配資源和調度的獨立單位；

異步性：由于進程間的相互制約，使進程具有執行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進

結構特征：進程由程序、數據和進程控制塊三部分組成。

多個不同的進程可以包含相同的程序：一個程序在不同的數據集里就構成不同的進程，能得到不同的結果；但是執行過程中，程序不能發生改變。

線程是什么？

線程，有時被稱為輕量級進程(LightweightProcess，LWP），是程序執行流的最小單元。一個標準的線程由線程ID，當前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成。另外，線程是進程中的一個實體，是被系統獨立調度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統資源，只擁有一點兒在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進程的其它線程共享進程所擁有的全部資源。一個線程可以創建和撤消另一個線程，同一進程中的多個線程之間可以并發執行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運行中呈現出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運行三種基本狀態。就緒狀態是指線程具備運行的所有條件，邏輯上可以運行，在等待處理機；運行狀態是指線程占有處理機正在運行；阻塞狀態是指線程在等待一個事件（如某個信號量），邏輯上不可執行。每一個程序都至少有一個線程，若程序只有一個線程，那就是程序本身。

特點

在多線程OS中，通常是在一個進程中包括多個線程，每個線程都是作為利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。

1）輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。

線程的實體包括程序、數據和TCB。線程是動態概念，它的動態特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

（1）線程狀態。

（2）當線程不運行時，被保存的現場資源。

（3）一組執行堆棧。

（4）存放每個線程的局部變量主存區。

（5）訪問同一個進程中的主存和其它資源。

用于指示被執行指令序列的程序計數器、保留局部變量、少數狀態參數和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

2）獨立調度和分派的基本單位。

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，因而也是獨立調度和分派的基本單位。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小（在同一進程中的）。

3）可并發執行。

在一個進程中的多個線程之間，可以并發執行，甚至允許在一個進程中所有線程都能并發執行；同樣，不同進程中的線程也能并發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍設備并行工作的能力。

4）共享進程資源。

在同一進程中的各個線程，都可以共享該進程所擁有的資源，這首先表現在：所有線程都具有相同的地址空間（進程的地址空間），這意味著，線程可以訪問該地址空間的每一個虛地址；此外，還可以訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。由于同一個進程內的線程共享內存和文件，所以線程之間互相通信不必調用內核。

進程和線程之間的關系？

1、一個線程只能屬于一個進程，而一個進程可以有多個線程，但至少有一個線程（通常說的主線程）。
2、資源分配給進程，同一進程的所有線程共享該進程的所有資源。
3、線程在執行過程中，需要協作同步。不同進程的線程間要利用消息通信的辦法實現同步。
4、處理機分給線程，即真正在處理機上運行的是線程。
5、線程是指進程內的一個執行單元，也是進程內的可調度實體。
從三個角度來剖析二者之間的區別
1、調度：線程作為調度和分配的基本單位，進程作為擁有資源的基本單位。
2、并發性：不僅進程之間可以并發執行，同一個進程的多個線程之間也可以并發執行。
3、擁有資源：進程是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統資源，但可以訪問隸屬于進程的資源。

什么是守護進程？

在linux或者unix操作系統中，守護進程（Daemon）是一種運行在后臺的特殊進程，它獨立于控制終端并且周期性的執行某種任務或等待處理某些發生的事件。由于在linux中，每個系統與用戶進行交流的界面稱為終端，每一個從此終端開始運行的進程都會依附于這個終端，這個終端被稱為這些進程的控制終端，當控制終端被關閉的時候，相應的進程都會自動關閉。但是守護進程卻能突破這種限制，它脫離于終端并且在后臺運行，并且它脫離終端的目的是為了避免進程在運行的過程中的信息在任何終端中顯示并且進程也不會被任何終端所產生的終端信息所打斷。它從被執行的時候開始運轉，直到整個系統關閉才退出。

上下文切換

上下文切換(Context Switch)，也稱為PCB，性質為環境切換。

上下文切換，有時也稱做進程切換或任務切換，是指CPU從一個進程或線程切換到另一個進程或線程。

在操作系統中，CPU切換到另一個進程需要保存當前進程的狀態并恢復另一個進程的狀態：當前運行任務轉為就緒（或者掛起、刪除）狀態，另一個被選定的就緒任務成為當前任務。上下文切換包括保存當前任務的運行環境，恢復將要運行任務的運行環境。

進程上下文用進程的PCB（進程控制塊,也稱為PCB，即任務控制塊）表示，它包括進程狀態，CPU寄存器的值等。

通常通過執行一個狀態保存來保存CPU當前狀態，然后執行一個狀態恢復重新開始運行。

在上下文切換過程中，CPU會停止處理當前運行的程序，并保存當前程序運行的具體位置以便之后繼續運行。從這個角度來看，上下文切換有點像我們同時閱讀幾本書，在來回切換書本的同時我們需要記住每本書當前讀到的頁碼。在程序中，上下文切換過程中的“頁碼”信息是保存在進程控制塊（PCB）中的。PCB還經常被稱作“切換幀”（switchframe）。“頁碼”信息會一直保存到CPU的內存中，直到他們被再次使用。

在三種情況下可能會發生上下文切換：中斷處理，多任務處理，用戶態切換。在中斷處理中，其他程序”打斷”了當前正在運行的程序。當CPU接收到中斷請求時，會在正在運行的程序和發起中斷請求的程序之間進行一次上下文切換。在多任務處理中，CPU會在不同程序之間來回切換，每個程序都有相應的處理時間片，CPU在兩個時間片的間隔中進行上下文切換。對于一些操作系統，當進行用戶態切換時也會進行一次上下文切換，雖然這不是必須的。

操作系統或者計算機硬件都支持上下文切換。一些現代操作系統通過系統本身來控制上下文切換，整個切換過程中并不依賴于硬件的支持，這樣做可以讓操作系統保存更多的上下文切換信息

上下文切換的消耗

上下文切換通常是計算密集型的。也就是說，它需要相當可觀的處理器時間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級的時間。所以，上下文切換對系統來說意味著消耗大量的 CPU 時間，事實上，可能是操作系統中時間消耗最大的操作。

性能影響：

上下文切換會對性能造成負面影響。一些上下文切換相對其他切換而言更加昂貴；其中一個更昂貴的上下文切換是跨核上下文切換（Cross-Core Context Switch）。一個線程可以運行在一個專用處理器上，也可以跨處理器。由單個處理器服務的線程都有處理器關聯（Processor Affinity），這樣會更加有效。在另一個處理器內核搶占和調度線程會引起緩存丟失，作為緩存丟失和過度上下文切換的結果要訪問本地內存。總之，這稱為“跨核上下文切換”。