进程/线程？并发/并行？
进程/线程？并发/并行？
1.引子
下面这张图片非常生动形象地描述了进程与线程和它们之间的关系。
2.进程
2.1.什么是进程
系统分配资源的基本单位。
进程是程序运行所需的完整环境，是一个活动的实体，不仅包含程序代码，还包含以下内容：
- 堆栈（Stack）：用于存储函数参数、局部变量等临时数据
- 数据段（Data Section）：用于存储全局变量
- 堆（Heap）：运行时动态分配的内存区域
ps：甚至可以包含文件列表、输入输出设备等。
2.2.进程控制块（Process Control Block）
进程控制块（PCB）是操作系统中用于描述进程状态和属性的数据结构。它包含以下信息：
- 进程状态
- 程序计数器（PC）
- CPU寄存器状态
- 内存管理信息
- 调度信息
2.3.进程状态
进程在其生命周期中会经历多个状态转换：
- 新建（New）：进程刚被创建
- 就绪（Ready）：等待 CPU 调度执行
- 运行（Running）：正在执行
- 等待（Waiting）：等待 I/O 或其他事件完成
- 终止（Terminated）：执行完成或被强制终止
下面是更为详细的七态图：
- 挂起（静止）就绪：进程具备运行条件但目前在二级存储器中，只有当它被调换到主存才能被调度执行。
- 挂起（静止）等待：进程正在等待某一个事件且在二级存储器中。
2.4.进程类型
独立进程
不与其它进程共享数据或相互影响的进程协作进程
需要与其它进程共享数据或协同工作的进程
但是进程之间是本来是相互独立的，那么协作进程是怎么进行的，这就涉及了——进程通信(IPC)。
2.5.进程通信
内存共享
顾名思义，就是多个进程共享一个内存空间。
一个进程将数据写入共享的内存空间，另一个进程从中读取，实现通信。
ps: 开辟这块共享的内存空间是需要系统调用的，但接下来操作内存无需系统调用。
消息传递
类似"邮箱"(端口)，可以设立消息缓冲区，处于操作系统空间，需要提供系统调用 ( send(), receive() ) 来发送和接收信息。
在这种模式下，进程通过操作系统传递消息进行通信：
直接通信：进程直接指定发送或接收方
例如：send(B, message) 表示 A 向 B 发送消息间接通信：通过邮箱（mailbox）传递消息
例如：send(X, message) 表示发送到邮箱 X同步机制：发送或接收时可选择阻塞或非阻塞模式
缓冲机制：消息可暂存于队列中，队列容量可为 0（无缓冲）、有限或无限
管道、套接字和远程过程调用等都是属于消息传递。
监听端口：保持开放，接收所有进程的消息。
3.线程
3.1.什么是线程
CPU调度和执行的基本单位。
线程本身不包含代码，通过程序计数器指向特定代码段(打破一个进程拥有单一PC的限制)，同时每个线程拥有自己的栈空间，从而可以并发处理特定代码段。
一个进程可以有多个线程，而且同一进程中的线程共享资源，调度所需的成本远小于进程。
3.2.线程的实现方式
- 内核级线程（Kernel-level Thread）：由操作系统直接管理，调度开销大，但支持真正的并发。
- 用户级线程（User-level Thread）：由线程库在用户空间管理，创建和切换快，但无法利用多核CPU。
- 混合线程（Hybrid Thread）：结合上述两种方式，如 Java 的线程模型就是基于操作系统线程实现的。
4.并发与并行
并发：通过快速切换上下文（或者是CPU调度），以达到同一时刻处理多个任务的"假象"；
并行：真正同时执行多个任务（通过多核CPU）。
上下文：就是进程所处环境的状态，包括PC、CPU寄存器的数据、主存的内容。
中断触发时，CPU硬件会自动做：
1.切换到内核栈;
2.把PC等数据压入栈;
3.跳转到中断处理程序。
数据并行
数据分配到多个核心，同时执行相同操作。
比如，在对一个数组判断其中质数的个数时，将数组分为多组，同时进行判断计数。
任务并行
数据可以相同，也可以不同，同时执行不同操作。
比如，对一个数组同时执行max, min, avg操作；
也可以是对两个数组，一个执行max，另一个执行min。