1.什么是進(jìn)程？為什么要有進(jìn)程？

進(jìn)程有一個(gè)相當(dāng)精簡的解釋：進(jìn)程是對(duì)操作系統(tǒng)上正在運(yùn)行程序的一個(gè)抽象。

這個(gè)概念確實(shí)挺抽象，仔細(xì)想想?yún)s也挺精準(zhǔn)。

我們平常使用計(jì)算機(jī)，都會(huì)在同一時(shí)間做許多事，比如邊看電影，邊微信聊天，順便打開瀏覽器百度搜索一下，我們所做的這么多事情背后都是一個(gè)個(gè)正在運(yùn)行中的軟件程序；這些軟件想要運(yùn)行起來，首先在磁盤上需要有各自的程序代碼，然后將代碼加載到內(nèi)存中，CPU會(huì)去執(zhí)行這些代碼，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)需要存放，也可能需要和網(wǎng)卡、顯卡、鍵盤等外部設(shè)備交互，這背后其實(shí)就涉及到程序?qū)τ?jì)算機(jī)資源的使用，存在這么多程序，我們當(dāng)然需要想辦法管理程序資源的使用。并且CPU如果只有一個(gè)，那么還需要操作系統(tǒng)調(diào)度CPU分配給各個(gè)程序使用，讓用戶感覺這些程序在同時(shí)運(yùn)行，不影響用戶體驗(yàn)。

理所當(dāng)然，操作系統(tǒng)會(huì)把每個(gè)運(yùn)行中的程序封裝成獨(dú)立的實(shí)體，分配各自所需要的資源，再根據(jù)調(diào)度算法切換執(zhí)行。這個(gè)抽象程序?qū)嶓w就是進(jìn)程。

所以很多對(duì)進(jìn)程的官方解釋中都會(huì)提到：進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)基本單位。

2.什么是線程？為什么要有線程？

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進(jìn)程是擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。任務(wù)調(diào)度采用的是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式，而進(jìn)程是任務(wù)調(diào)度的最小單位，每個(gè)進(jìn)程有各自獨(dú)立的內(nèi)存空間，使得各個(gè)進(jìn)程之間內(nèi)存地址相互隔離。

后來，隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，程序的功能設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，我們的應(yīng)用中同時(shí)發(fā)生著多種活動(dòng)，其中某些活動(dòng)隨著時(shí)間的推移會(huì)被阻塞，比如網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、讀寫文件（也就是IO操作），我們自然而然地想著能不能把這些應(yīng)用程序分解成更細(xì)粒度、能 準(zhǔn)并行運(yùn)行 多個(gè)順序執(zhí)行實(shí)體，并且這些細(xì)粒度的執(zhí)行實(shí)體可以共享進(jìn)程的地址空間，也就是可以共享程序代碼、數(shù)據(jù)、內(nèi)存空間等，這樣程序設(shè)計(jì)模型會(huì)變得更加簡單。

其實(shí)很多計(jì)算機(jī)世界里的技術(shù)演變，都是模擬現(xiàn)實(shí)世界。比如我們把一個(gè)進(jìn)程當(dāng)成一個(gè)項(xiàng)目，當(dāng)項(xiàng)目任務(wù)變得復(fù)雜時(shí)，自然想著能不能將項(xiàng)目按照業(yè)務(wù)、產(chǎn)品、工作方向等分成一個(gè)個(gè)任務(wù)模塊，分派給不同人員各自并行完成，再按照某種方式組織起各自的任務(wù)成果，最終完成項(xiàng)目。

需要多線程還有一個(gè)重要的理由就是：每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)空間（程序上下文），程序之間的切換會(huì)有較大的開銷；線程可以看做輕量級(jí)的進(jìn)程，同一類線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間，每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器，線程之間切換的開銷小。所以線程的創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于進(jìn)程。

在引入多線程模型后，進(jìn)程和線程在程序執(zhí)行過程中的分工就相當(dāng)明確了，進(jìn)程負(fù)責(zé)分配和管理系統(tǒng)資源，線程負(fù)責(zé)CPU調(diào)度運(yùn)算，也是CPU切換時(shí)間片的最小單位。對(duì)于任何一個(gè)進(jìn)程來講，即便我們沒有主動(dòng)去創(chuàng)建線程，進(jìn)程也是默認(rèn)有一個(gè)主線程的。

3.它們在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)方式有何不同？

在Linux 里面，無論是進(jìn)程，還是線程，到了內(nèi)核里面，我們統(tǒng)一都叫任務(wù)（Task），由一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu) task_struct 進(jìn)行管理，這個(gè)task_struct 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，囊括了進(jìn)程管理生命周期中的各種信息。

在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化時(shí)會(huì)創(chuàng)建第一個(gè)進(jìn)程，即0號(hào)創(chuàng)始進(jìn)程。隨后會(huì)初始化1號(hào)進(jìn)程（用戶進(jìn)程祖宗：/usr/lib/systemd/systemd），2號(hào)進(jìn)程（內(nèi)核進(jìn)程祖宗：[kthreadd]），其后所有的進(jìn)程線程都是在他們的基礎(chǔ)上fork出來的。

我們一般都是通過fork系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建新的進(jìn)程，fork 系統(tǒng)調(diào)用包含兩個(gè)重要的事件，一個(gè)是將 task_struct 結(jié)構(gòu)復(fù)制一份并且初始化，另一個(gè)是試圖喚醒新創(chuàng)建的子進(jìn)程。

我們說無論是進(jìn)程還是線程，在內(nèi)核里面都是task，管起來不是都一樣嗎？到底如何區(qū)分呢？其實(shí)，線程不是一個(gè)完全由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的機(jī)制，它是由內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)合作完成的。

創(chuàng)建進(jìn)程的話，調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用是 fork，會(huì)將五大結(jié)構(gòu) files_struct、fs_struct、sighand_struct、signal_struct、mm_struct 都復(fù)制一遍，從此父進(jìn)程和子進(jìn)程各用各的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而創(chuàng)建線程的話，調(diào)用的是系統(tǒng)調(diào)用 clone，五大結(jié)構(gòu)僅僅是引用計(jì)數(shù)加一，也即線程共享進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.所以它們到底有哪些區(qū)別？

功能：進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位，而線程是任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位

開銷：每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的內(nèi)存空間，存放代碼和數(shù)據(jù)段等，程序之間的切換會(huì)有較大的開銷；線程可以看做輕量級(jí)的進(jìn)程，共享內(nèi)存空間，每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器，線程之間切換的開銷小。

運(yùn)行環(huán)境：在操作系統(tǒng)中能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程；而在同一個(gè)進(jìn)程（程序）中有多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行（通過CPU調(diào)度，在每個(gè)時(shí)間片中只有一個(gè)線程執(zhí)行）

創(chuàng)建過程：在創(chuàng)建新進(jìn)程的時(shí)候，會(huì)將父進(jìn)程的所有五大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)制新的，形成自己新的內(nèi)存空間數(shù)據(jù)，而在創(chuàng)建新線程的時(shí)候，則是引用進(jìn)程的五大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但是線程會(huì)有自己的私有數(shù)據(jù)、?？臻g。

進(jìn)程和線程其實(shí)在cpu看來都是task_struct結(jié)構(gòu)的一個(gè)封裝，執(zhí)行不同task即可，而且在cpu看來就是在執(zhí)行這些task時(shí)候遵循對(duì)應(yīng)的調(diào)度策略以及上下文資源切換定義，包括寄存器地址切換，內(nèi)核棧切換。所以對(duì)于cpu而言，進(jìn)程和線程是沒有區(qū)別的。

附：我們通常所說的上下文切換具體指什么？

操作系統(tǒng)抽象出一個(gè)進(jìn)程的概念，讓應(yīng)用程序?qū)Ｐ挠趯?shí)現(xiàn)自己的業(yè)務(wù)邏輯既可，對(duì)應(yīng)用程序屏蔽了CPU調(diào)度、內(nèi)存管理等硬件細(xì)節(jié)，而且在有限的CPU上可以“同時(shí)”進(jìn)行許多個(gè)任務(wù)。但是它為用戶帶來方便的同時(shí)，也引入了一些額外的開銷。

在操作系統(tǒng)中，由于CPU的時(shí)間片調(diào)度策略，從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程需要保存當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)并恢復(fù)另一個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)：當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒（或者掛起、刪除）狀態(tài)，另一個(gè)被選定的就緒任務(wù)成為當(dāng)前任務(wù)。上下文切換包括保存當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境，恢復(fù)將要運(yùn)行任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。

在上下文切換過程中，CPU會(huì)停止處理當(dāng)前運(yùn)行的程序，并保存當(dāng)前程序運(yùn)行的具體位置以便之后繼續(xù)運(yùn)行。從這個(gè)角度來看，上下文切換有點(diǎn)像我們同時(shí)閱讀幾本書，在來回切換書本的同時(shí)我們需要記住每本書當(dāng)前讀到的頁碼。

在三種情況下可能會(huì)發(fā)生上下文切換：中斷處理，多任務(wù)處理，內(nèi)核/用戶態(tài)切換。

在中斷處理中，其他程序”打斷”了當(dāng)前正在運(yùn)行的程序。當(dāng)CPU接收到中斷請(qǐng)求時(shí)，會(huì)在正在運(yùn)行的程序和發(fā)起中斷請(qǐng)求的程序之間進(jìn)行一次上下文切換。

在多任務(wù)處理中，CPU會(huì)在不同程序之間來回切換，每個(gè)程序都有相應(yīng)的處理時(shí)間片，CPU在兩個(gè)時(shí)間片的間隔中進(jìn)行上下文切換。

在Linux中進(jìn)行內(nèi)核/用戶態(tài)切換也會(huì)進(jìn)行上下文切換，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，CPU寄存器里原來用戶態(tài)的指令位置需要先保存起來。接著，為了執(zhí)行內(nèi)核態(tài)代碼，CPU寄存器需要更新為內(nèi)核態(tài)指令的新位置。最后才是跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)運(yùn)行內(nèi)核任務(wù)。而系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，CPU寄存器需要恢復(fù)原來保存的用戶態(tài)，然后再切換到用戶空間，繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)程，所以一次系統(tǒng)調(diào)用的過程，其實(shí)是發(fā)生了兩次CPU上下文切換。

CPU上下文切換，是保證Linux系統(tǒng)正常工作的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別關(guān)注。

但過多的上下文切換，會(huì)把CPU時(shí)間消耗在寄存器、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)上，從而縮短進(jìn)程真正運(yùn)行的時(shí)間，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能大幅下降。