【目标】

• 分清楚并发和并行的区别，简单掌握关键点
• 分清楚线程和进程的区别
• 掌握一些基本概念，了解背景

1.进程和线程的关系

1.1 进程？线程？

进程（Process） 和线程（Thread） 是操作系统里两个最核心的概念。简单说：进程是资源分配的基本单位，线程是 CPU 调度的基本单位。

1.1.1 进程

进程是一个正在运行的程序实例。当你双击一个可执行文件，操作系统会为它创建一个进程，分配独立的内存空间（代码段、数据段、堆、栈）、文件描述符、PID 等资源。

关键特征：

• 独立地址空间：每个进程有自己独立的虚拟内存空间，一个进程崩溃通常不会影响另一个进程。

• 资源隔离：进程间通信（IPC）需要借助管道、消息队列、共享内存、socket 等机制，成本较高。

• 切换开销大：进程切换涉及页表切换、TLB 刷新、上下文保存，开销明显大于线程切换。

1.1.2 线程

线程是进程内部的执行流，一个进程可以包含多个线程。同一进程内的线程共享该进程的地址空间、全局变量、打开的文件等资源，但每个线程有自己独立的栈、寄存器状态、程序计数器。

关键特征：

• 共享地址空间：线程间通信直接读写共享内存即可，非常高效，但也需要同步机制（锁、信号量）防止数据竞争。

• 切换开销小：同一进程内线程切换不需要切换页表，开销远小于进程切换。

• 一个线程崩溃可能拖垮整个进程：因为共享地址空间，某个线程的非法访问可能导致整个进程终止。

现代电脑都是多核电脑，更有超线程（大单核中有两个逻辑处理器，相当于两个小单核）的设计。比如一台具备12个逻辑处理器的电脑，电脑上成千上万的线程都是被操作系统分配到这12个逻辑处理器上面执行的。而CPU调度的最小单位就是线程。

1.1.3 对比总结

维度	进程	线程
定义	资源分配的基本单位	CPU 调度的基本单位
地址空间	独立	同进程内共享
通信方式	IPC（管道、共享内存、socket 等）	直接读写共享内存
切换开销	大	小
隔离性	强	弱
创建开销	大	小

进程是“资源+隔离”的边界：操作系统分配资源（各个进程之间的资源分配独立）、多个不同程序（比如QQ、微信）之间的隔离；

线程是实实在在“执行+调度”的实体：对于CPU来说，它只认线程，只是线程必须活在某个进程的资源环境里。

1.2 空转？调度？并发？并行？

1.2.1 空转？调度？

一、空转

简单介绍：空转——CPU 的某个执行单元本该在算指令，但因为等不到数据/被阻塞，只能闲着。

二、调度

1.调度机制的关键点

调度 = 决定"谁上 CPU、跑多久、何时换"，并执行换人的机制。

关键包含以下四点：

• 就绪队列：线程就绪后排队等被选中，这是"有货可补"的候选池。
• 调度器 + 策略：按时间片、优先级、公平性（CFS）等规则，从队列里挑下一个线程。
• 触发点：时间片用完、线程阻塞、被唤醒、被更高优先级抢占——这些时刻触发调度。
• 上下文切换：决策完"换谁"，保存旧线程上下文、恢复新线程上下文，真正完成换人。

一句话：就绪队列给候选，调度器做决策，触发点定时机，上下文切换执行换人。

1.2.2 并发？并行？

 一、定义

并发（Concurrency）：系统里存在多个可独立推进的执行流，它们在一段时间内“交错地都向前推进”。任一时刻，可能只有一个在执行（单核发挥作用），也可能多个在执行（多核发挥作用）——但"交错推进、整体都前进"这个性质成立，就是并发。

并行（Parallelism）：多个执行流在“同一时刻真正同时执行”。同一瞬间，有多个执行单元各自在跑指令。

两个定义的分水岭只有一个：看"同一瞬间"有没有多个执行单元在同时干活。

二、它们到底是什么"东西"

都不是东西，不是实体，不是对象。

它们是对"多个执行流在时间上是什么关系"的描述——是运行过程的性质，不是被管理的对象。

用类比：
"拥堵" 不是一辆车、不是一个物体，而是"很多车在路上、彼此拖慢"这个“状态/过程”。你能观察到它（看车流），但抓不到它本身。
"并发/并行" 同理：是"多个执行流以什么时间关系在跑"的性质。**并发 = 交错推进的性质；并行 = 同时执行的性质。

三、两者的精确区别

维度	并发	并行
时间关系	一段时间内交错推进	同一瞬间同时执行
是否要求多执行单元	不要求，单核即可	要求，必须 ≥2 个执行单元
本质	逻辑同时性（宏观像同时）	物理同时性（微观真同时）
解决的问题	等待时不空转、多任务协调	提高吞吐、缩短计算时间

关键一句：并发是"结构+调度"造出的逻辑同时性；并行是"硬件"提供的物理同时性。

四、宏观上，并发对应到底层是什么

并发的底层支撑分三层：

1. 结构层：多个执行流共存
程序里有多个线程（或协程、进程），每个都有独立的执行上下文（栈、寄存器状态、程序计数器）。这是并发的前提——得先有"多个可推进的东西"。

2. 机制层：OS 调度器 + 时间片 + 上下文切换

• 调度器维护“就绪队列”，把就绪线程分派到逻辑处理器。
• 时间片轮转：一个线程跑一段（时间片），时钟中断触发，换下一个。
• 阻塞让出：线程等 I/O 时进阻塞态，让出执行单元，调度器补位。

这三样合起来，让"多个执行流在一段时间内都前进"成为现实。

3. 硬件层
单核上任一时刻只有一个线程在跑，并发完全靠“操作系统”制造交错。这就是为什么并发不依赖多核。

并发不空转的完整链条：
> 多线程共存（前提）→ 线程 A 阻塞，让出执行单元（腾位置）→ 内核触发调度 → 调度器从就绪队列选 B 补位（动作）→ 执行单元不空转。
> 并发只提供"有货可补"的前提；补位是调度的活；就绪队列为空时，并发在，照样空转。

五、宏观上，并行对应到底层是什么

并行的底层支撑是“硬件的同时执行能力”，分四个层次：

1. 多物理核
N 个物理核，同一时刻 N 个线程各自在自己的核上执行指令。这是最典型的并行，物理上同时导通。

2. 超线程（有限并行）
一个物理核暴露为两个逻辑处理器，各有独立寄存器组，但共享执行单元。

3. 核内微架构并行（单核内部也在并行）

• 流水线：多条指令不同阶段重叠执行。
• 超标量 + 乱序执行：一个周期发射多条指令。
• SIMD（AVX 等）：一条指令处理多个数据。

这些发生在“单个物理核的微架构里”，也是真并行。

4. GPU / 专用加速器
成千上万线程真正同时跑在大量流处理器上，大规模并行。

1.2.3 总结

在理解的时候，不必把上面都记住，只需要简单理解：

一、并发和并行是多个线程在执行时间上的状态描述，

1.并发描述的是多个线程非同时进行，2.并行描述的是多个线程同时进行，

二、而至于具体的怎么进行、分配给谁进行，都是调度的活

2.进程介绍

2.1 进程的资源分配是如何进行的？

操作系统通过维护一个数据结构——PCB（Process Control Block 进程控制块），来完成对进程的资源分配与管理。这 7 个要点构成了分配与管理的核心：

2.1.1 确定资源归属

1. PID（进程 ID）：操作系统分配的唯一标识符。所有分配给该进程的资源，都在系统内核中挂载在这个 PID 名下。
2. 内存指针：操作系统为该进程划分独立的虚拟地址空间（包含代码段、数据段、堆栈等）。内存指针记录了这些空间在物理内存或虚拟内存中的基址。这块内存空间是该进程独占的。
3. 文件描述符表：操作系统将 I/O 设备（硬盘文件、网卡 Socket 等）抽象为“文件”。分配给该进程的外部资源，以文件描述符（File Descriptor）的形式记录在此表中，进程通过索引该表来操作外部设备。

2.1.2 确定资源调度（重点）

CPU 是最核心的计算资源。操作系统通过 PCB 中的以下字段，决定何时将 CPU 分配给该进程：

1. 进程状态：记录进程当前是就绪（等待 CPU）、运行（占用 CPU）还是阻塞（等待 I/O）。
2. 进程优先级：决定进程获取 CPU 时间片的先后顺序。
3. 进程的上下文：当进程被剥夺 CPU 时，保存当前 CPU 寄存器的值（如程序计数器 PC、栈指针等），以便下次获得 CPU 时恢复现场继续执行。
4. 记账信息：记录进程已消耗的 CPU 时间、内存使用量等，用于调度算法和资源限制。

2.1.3 进程的弊端

一、虚拟内存？页表？TLB？

1.虚拟内存的创作背景：为什么要搞出这个“假象”？

早期的计算机直接使用物理地址。这带来三个致命问题：程序稍大点内存装不下、A 程序写错指针容易踩踏 B 程序的数据、内存碎片多。

为了解决这些问题，操作系统引入了虚拟内存（Virtual Memory）。

2. 虚拟内存的概念：数据到底存在哪？

操作系统给每个进程画了一个“大饼”：让每个进程都以为自己独占了一整块连续、巨大的内存（从 0 开始）。但实际上：
1）数据首选真实的物理内存：程序真正活跃的数据，绝大多数都存放在真实的物理内存条里。
2.）硬盘作为备用仓库：物理内存空间（就是内存空间，这样叫是为了区分虚拟内存）是有限的。当物理内存快满时，操作系统会把一部分暂时不用的数据，悄悄挪到硬盘上的 Swap（交换分区）里。
3.）动态搬运：当进程需要用到那块被丢到硬盘的数据时，操作系统再把它换回物理内存。

3.TLB 的登场：虚拟内存带来的“性能代价”与硬件破局

虚拟内存很完美，但带来了巨大的性能开销：因为进程用的是“虚拟地址”，它并不知道真实数据在物理内存的哪里，操作系统必须维护一张页表（Page Table）来做翻译。

如果没有 TLB，CPU 找数据会经历极其痛苦的“两次访问内存”：
1. CPU 拿到虚拟地址，必须先跑去 内存条 里查“页表”，翻译出真实的物理地址（第一次访问内存，极慢）。

2. 拿到物理地址后，CPU 再顺着地址跑去 内存条 里拿真正的数据（第二次访问内存，极慢）。
内存条的速度比起 CPU 简直像蜗牛，每次查表都要浪费大量时间，系统会被严重拖慢。

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为了解决这个速度问题，CPU 硬件里加了一个极速缓存——TLB（Translation Lookaside Buffer，转译后备缓冲区）。

*TLB 实际上就是“页表”最常用内容的“随身小抄”。CPU 会把最近查过的那几条页表记录，直接抄在自己的硬件里。下次 CPU 拿到虚拟地址，直接在 CPU 内部查 TLB（小抄）。如果命中（找到了），立刻就知道物理地址，根本不用去内存里查那本笨重的大页表了。

二、进程级别操作的巨大开销

1. 创建/销毁开销大：创建一个新进程，操作系统必须为其分配独立的物理内存、建立全新的 PCB、复制页表和文件描述符等。销毁时则需要回收所有这些资源。
2. 上下文切换开销大：在多个进程间切换 CPU 时，由于进程拥有独立的内存地址空间，CPU 不仅需要切换寄存器，还需要切换页表（导致 TLB 失效，缓存命中率下降），开销极大。
3. 通信成本高：进程间内存隔离，交换数据必须依赖操作系统提供的 IPC（进程间通信）机制（如管道、消息队列），效率低。

为了避免上述开销，操作系统在进程内部引入了线程（Thread）。

1. 资源共享：线程不拥有独立的内存和文件资源。同一个进程内的多个线程 共享 该进程的 PCB 中记录的内存指针（地址空间）和文件描述符表。线程直接在进程已分配好的资源上进行任务执行。
2. 轻量级操作：创建或销毁一个线程，只需分配或回收极少量的资源（如独立的栈空间和 TCB 线程控制块），无需重新分配整个进程的资源。同一个进程内的线程切换，不需要切换内存地址空间，极大降低了上下文切换的开销。

线程部分在下一章进行介绍。