C++程序员应了解的那些事（117）~进程、线程、协程

2023-10-26

概念与区分

1、进程

进程是程序一次动态执行的过程，是程序运行的基本单位。
每个进程都有自己的独立内存空间，不同进程通过进程间通信来通信。
进程占据独立的内存，所以上下文进程间的切换开销（栈、寄存器、页表、文件句柄等）比较大，但相对比较稳定安全。

        是一个正在运行的程序。
        是一个动态的过程：有它自身的产生、存在、和消亡的过程——生命周期。
        是操作系统（OS）进行资源（CPU、内存、GPU等）分配的最小单位。有自己独立的地址空间，其内部的各个线程共享该地址空间。
        每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成。

        直观理解：打开的任何一个程序是一个进程，比如游戏，浏览器等。

2、线程

线程又叫做轻量级进程，是CPU调度的最小单位。
线程从属于进程，是程序的实际执行者。一个进程至少包含一个主线程，也可以有更多的子线程。
多个线程共享所属进程的资源，同时线程也拥有自己的专属资源。
线程间通信主要通过共享内存，上下文切换很快，资源开销较少，但相比进程不够稳定容易丢失数据。

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        是CPU调度和分配的基本单位。
        一个进程可由多个线程的执行单元组成，每个线程都运行在同一进程的上下文中，共享同样的代码和全局数据。

        直观理解：使用一个程序的某个功能是一个线程，比如新打开一个网页，使用杀毒软件清理垃圾等。

进程和线程的关系

地址空间：线程是进程内的一个执行单元；进程至少有一个线程；它们共享进程的地址空间;而进程有自己独立的地址空间。
资源拥有：进程是资源分配和拥有的单位，同一个进程内的线程共享进程的资源。
线程是处理器调度的基本单位,但进程不是。
二者均可并发执行。

3、协程

协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。
一个线程可以拥有多个协程，协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制。
与其让操作系统调度，不如我自己来，这就是协程

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        协程（Coroutine）和进程（Process）是计算机编程中常用的两种并发执行的概念。
        进程是操作系统分配资源和执行任务的基本单位。每个进程都有自己的地址空间、代码、数据和文件等资源。多进程可以同时执行不同的任务，它们之间相互独立，通过进程间通信（IPC）来进行数据交换和协作。
        而协程是一种轻量级的线程，也被称为用户级线程。它在单个线程内部实现了非抢占式的多任务处理，能够在一个线程内切换执行不同的任务，并且在任务之间保存状态。与进程不同，协程之间的切换是由程序员手动控制或由特定的调度器控制，而不是由操作系统管理。
        协程的优势在于减少了上下文切换的开销以及降低了内存使用量，使得并发编程更加高效。它通常用于异步编程、事件驱动的程序设计、生成器等场景。
        总结起来，进程是操作系统的基本执行单位，而协程是在单个线程内实现并发执行的一种机制。进程之间相互独立，而协程可以通过切换来实现任务的并行执行。

通信方式

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线程的生命周期

创建：线程从创建到被cpu执行之前的这个阶段。
就绪：指线程已具备各种执行条件，一旦获取cpu便可执行。
运行：表示线程正获得cpu在运行。
阻塞：指线程在执行中因某件事而受阻，处于暂停执行的状态，阻塞的线程不会去竞争cpu。
终止：线程执行完毕，接下来会释放线程占用的资源。
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进程调度算法

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1、先到先服务

先来先去服务调度算法是一种最简单的调度算法，也称为先进先出或严格排队方案。当每个进程就绪后，它加入就绪队列。当前正运行的进程停止执行，选择在就绪队列中存在时间最长的进程运行。该算法既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。

2、最短进程优先

最短进程优先是一个非抢占策略，他的原则是下一次选择预计处理时间最短的进程，因此短进程将会越过长作业，跳至队列头。该算法即可用于作业调度，也可用于进程调度。但是他对长作业不利，不能保证紧迫性作业（进程）被及时处理，作业的长短只是被估算出来的。

3、时间片轮转法

轮转法是基于适中的抢占策略的，以一个周期性间隔产生时钟中断，当中断发生后，当前正在运行的进程被置于就绪队列中，然后基于先来先去服务策略选择下一个就绪作业的运行。这种技术也称为时间片，因为每个进程再被抢占之前都给定一片时间。

4、优先级调度

在进程等待队列中选择优先级最高的来执行

5、多级反馈队列调度算法

多级反馈队列算法，不必事先知道各种进程所需要执行的时间，他是当前被公认的一种较好的进程调度算法。其实施过程如下：

1)设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。在优先权越高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就越小。

2)当一个新进程进入内存后，首先放入第一队列的末尾，按照先到先服务原则排队等候调度。如果他能在一个时间片中完成，便可撤离；如果未完成，就转入第二队列的末尾，同样等待调度…如此下去，当一个长作业（进程）从第一队列依次将到第n队列（最后队列）后，便按第n队列时间片轮转运行。

3)仅当第一队列空闲的时候，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1到（i-1）队列空时，才会调度第i队列中的进程运行，并执行相应的时间片轮转。

4)如果处理机正在处理第i队列中某进程，又有新进程进入优先权较高的队列，则此新队列抢占正在运行的处理机，并把正在运行的进程放在第i队列的队尾。

并行和并发

并发是指一个处理器同时处理多个任务。
并行是指多个处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务。
并发是逻辑上的同时发生（simultaneous），而并行是物理上的同时发生。来个比喻：并发是一个人同时吃三个馒头，而并行是三个人同时吃三个馒头。

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。就好像两个人各拿一把铁锨在挖坑，一小时后，每人一个大坑。所以无论从微观还是从宏观来看，二者都是一起执行的。

并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。这就好像两个人用同一把铁锨，轮流挖坑，一小时后，两个人各挖一个小一点的坑，要想挖两个大一点得坑，一定会用两个小时。

并行在多处理器系统中存在，而并发可以在单处理器和多处理器系统中都存在，并发能够在单处理器系统中存在是因为并发是并行的假象，并行要求程序能够同时执行多个操作，而并发只是要求程序假装同时执行多个操作（每个小时间片执行一个操作，多个操作快速切换执行）。

当有多个线程在操作时,如果系统只有一个CPU,则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程,它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行,在一个时间段的线程代码运行时,其它线程处于挂起状态。这种方式我们称之为并发(Concurrent)。

当系统有一个以上CPU时,则线程的操作有可能非并发.当一个CPU执行一个线程时,另一个CPU可以执行另一个线程,两个线程互不抢占CPU资源,可以同时进行,这种方式我们称之为并行(Parallel)。

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