扫盲课。对 Linux 系统下，进程和线程的基本概念和对比进行阐述。
一、进程
进程是处于执行期的程序及相关资源的总称。操作系统为进程提供两种虚拟机制：虚拟处理器 & 虚拟内存，目的是让进程有一种假象：“独享处理器和整个内存空间”。
关于进程描述符 struct task_struct 放在后续内容中解释。
（一）进程状态机
这里我们介绍两个版本的“进程状态机”。
（1）从逻辑上进程可分为五种状态：创建、运行、就绪、阻塞、结束。
（2）也可根据 task_struct 的五个标志位进行分类：
task_running：图中的“就绪队列”和“运行队列”。task_interruptible：阻塞挂起，收到某些信号后反应。task_uninterruptible：忽略信号，fork（clone调用）会用到。__task_traced：被其他进程跟踪调试，比如 ptrace。__task_stopped：停止。不仅是退出，调试期间也会进入该状态。
（二）常见的进程
（1）孤儿进程
- 子进程退出时发现父进程已经退出了，会导致子进程的资源无法正确释放而泄露。
- 避免孤儿进程：在进程结束时会寻找新的父进程或托管给0号进程，即 init 进程。
（2）僵尸进程
- 子进程在运行结束退出时，内核会释放所有的资源；但是仍然会保留其进程描述符中的相关信息，直到父进程通过 wait 或 waitpid 来获取这些信息时才释放。如果不释放这些信息就会变成“僵尸进程”。
- 注意：子进程销毁时会临时进入“僵死状态”，而不是“僵尸进程”，注意区分。
- 避免僵尸进程：子进程在退出时向父进程发送信号，让父进程调用wait函数释放。
（3）守护进程
- 运行在后台、独立于运行终端、属于1号进程管理。用于周期性的执行某种任务或等待处理某些发生的事件（比如 ssh 服务器、ftp 服务器等）。
- 创建守护进程：fork调用后父进程退出，使子进程变成孤儿进程，归1号进程管理。
二、线程
线程是进程中的一条执行流。Linux没有实现专门的线程，Windows下专门实现了“轻量级进程”。
同一个进程内多个线程之间可以共享：代码段、数据段、堆区（打开的文件）等资源，但每个线程各自都有一套独立的PID、栈（指针）、PC计数器、程序运行所需的寄存器，从而确保线程的控制流是相对独立的。
主要是私有栈：用于保存函数调用、局部变量以及其他临时数据，不能让其他线程访问。
主线程的私有栈是占用进程虚拟内存空间的栈内存；其他线程的私有栈则是共享内存映射区的内存。
（一）进程崩溃
C/C++进程中的一个线程崩溃时，有可能会导致其所属进程的所有线程崩溃。
- 理论上每个线程都是独立执行的，线程的崩溃通常只会影响到它本身，所以不会导致整个进程崩溃。
- 线程之间共享地址空间和数据资源，导致这些共享资源处于不一致的状态，该不确定性会让OS直接结束当前进程。
因为各个线程的地址空间是共享的，所以某个线程对地址的非法访问就会导致内存的不确定性，进而可能会影响到其他线程。既然这种操作是危险的，OS会认为这很可能导致一系列严重的后果，于是干脆让整个进程崩溃。
有一些特殊情况下，线程的崩溃可能会影响整个进程。
- 主线程的崩溃：主线程通常负责启动和管理其他线程，所以它的崩溃会导致进程终止，进而导致子线程终止。
- 关键资源的破坏：关键资源（如共享内存区域或文件句柄）受损或无法使用，其他线程可能会受到影响而导致进程的异常终止。
- 无法处理的异常：行为引发无法恢复的异常，例如访问非法内存地址或遇到不可处理的硬件错误。
结束进程的方式：使用 kill 系统调用向进程发送信号。也支持自定义信号处理回调函数 sigHandler，在结束前“垂死挣扎”一番。
可以通过
kill -l查看所有信号。比如常见的kill -9 pid_num就是一种信号，-9代表SIGKILL信号，该信号会忽略任何信号处理函数，会马上干掉该进程。
Java 不会崩溃：JVM 有自定义的信号处理函数，会执行资源清理后再 exit 退出。
举例：StackOverflow 报错，如果发生无限递归会导致栈帧（默认为 8M 大小）被占满。
当发生崩溃后，JVM 自定义的信号处理函数会拦截 SIGSEGV 信号、恢复进程的执行、抛出 StackoverflowError 和 NPE 两个错误供我们捕获。
（二）分类：用户线程 & 内核线程
线程控制块TCB(Thread Control Block)
（1）用户线程（逻辑线程）
- 在用户态下通过“线程管理库”创建、管理、运行，不受内核空间的调度。Linux下的线程管理库 pthread 用法之后的文章会具体分析。
- 不能参与 CPU 的抢占，只能共享进程的时间片，实现“线程的并行”。
- 操作系统只能看到进程的PCB，看不到线程的TCB。因此操作系统不直接参与用户线程的线程管理和调度，一切由用户级线程库函数管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等。
优点：（1）通过 TCB 可以在不支持线程技术的OS中使用线程；（2）切换时无需内核态和用户态的切换，所以切换速度很快；
缺点：同一进程中只能同时有一个线程在运行，所以（1）不能充分利用多核CPU；（2）如果一个线程发起系统调用而阻塞，会导致整个进程中所有线程的阻塞。
（2）内核线程（物理线程）
- 又称为“守护进程”。运行在“内核态”，只能由内核进行管理调度，也是内核最小的调度单位。
- 参与 CPU 的抢占，可以实现真正的多核并发。由于它的数据结构和堆栈很小，所以它的创建、调度的开销比进程小的多。
一个内核线程阻塞不影响同一进程下的其他线程，可以在多核处理器中执行。
举例：中断的下半部分为“软中断”，便是通过内核线程的方式进行实现的。
（3）对比
- 内核支持：用户线程可在一个不支持线程的OS中实现；内核线程则需要得到OS内核的支持。因此上一条、两者建立联系的前提是OS必须支持内核线程。
- CPU分配：内核只为用户线程所在的进程分配一个处理器，用户线程通过时间片调度的方式竞争该处理器；内核线程则可以在多个处理器上并行。
- 调度：只有内核线程才是CPU调度的单位，用户线程则通过所在的进程去调度。
根据上述原因，用户线程必须要映射到内核线程上，才能让内核看到 & 调度用户线程执行，从而让用户态的多线程实现并发执行。
建立映射的方式有：一对一模型、混合线程模型（多对一、多对多）。也要考虑到OS对线程数量的限制、选择合适的模型。
创建和管理大量的内核线程需要消耗系统资源，包括内存和调度开销；并且线程之间的切换也需要时间和开销，频繁的上下文切换会导致开销增加。
（三）多线程/线程池的简单入门
根据CPU核数不同，多线程实际上分为“并行”和“并发”两种。我们最感兴趣的其实是“线程池”(Thread Pool)技术。它专门用于管理和复用多个线程，能极大减小线程的创建和销毁的开销。适用于需要处理大量短时间任务的场景，并能根据系统的承受能力调整可运行线程的数量。
一个简单的线程池由三部分组成：
- 线程池管理器（Thread Pool Manager）：负责线程池的创建、销毁和管理；并维护着线程队列和任务队列，并负责分配任务给空闲线程执行。
- 线程池（Thread Pool）：由一组线程组成，当线程池中的线程处于可用状态时，便可以执行提交给线程池的任务。
- 任务队列（Task Queue）：用于存储待执行的任务，当线程池中的线程空闲时，会从任务队列中获取任务进行执行。
线程池的工作步骤有以下几步：
- 初始化线程池，创建一定数量的线程并将其置于可用状态（阻塞状态）。
- 当有任务提交给线程池时，线程池从任务队列中获取任务。
- 线程池分配空闲线程来执行任务。
- 执行完任务后，线程继续保持可用状态，返回到线程池中，等待下一个任务。
- 如果任务队列为空且没有待处理的任务，空闲线程等待新任务的到来。
三、进程和线程的区别
- “进程”是资源分配的最小单位，“线程”是程序执行（CPU 调度）的最小单位。
- 地址空间是否独立。每一个进程都有它自己的独立地址空间，一般不会发生读写同一块内存（共享内存除外）；线程共享所在进程的地址空间，对于临界区数据需要进行同步或互斥处理。
- 上下文切换的开销不同。（1）进程的上下文切换开销比较大：需要切换像虚拟内存等页表，对 Cache 缓存机制影响较大；（2）同一个进程的线程切换很快：只需要切换像“寄存器”和“栈”等私有数据即可；但如果是不同进程的线程进行切换，那么和进程切换一样
上下文切换会导致 CPU Cache 缓存全部作废，虚拟内存的切换会导致 Page Cache（TLB）全部失效，导致在一定时间范围内、内存访问的低效。
- 创建方式不同。两者都执行 fork 系统调用（底层为 clone 系统调用），线程会传入代表共享资源的参数标志，创建速度更快（不涉及像内存、文件等资源管理信息）；此外进程还有 COW 策略，以及创建子进程后执行 exec() 优先运行子进程。
- 通信方式。进程之间通信记为 IPC（比如共享内存）；线程因为共享内存和文件资源，不需要经过内核，所以数据交换效率很高。