2024年5月10日发(作者：)

进程与线程

上篇

进程在操作系统中是最基本、最重要的概念。

在概念上看，进程主要有两点：第一，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地

址空间，一般情况下，包括文本区域、数据区域和堆栈。文本区域存储处理器执行的代码；

数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用

的指令和本地变量。第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，

只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。 进程是在多

道程序系统出现后，为了刻画系统内部的动态状况、描述运行程序的活动规律而引起的新

概念，所有多道程序设计操作系统都建立在进程的基础之上。在操作系统中引入进程可以

刻画系统的动态性、发挥系统的并发性，而且可以解决共享性，正确的描述程序执行状态。

在特征上看，进程的特征主要有结构性、共享性、动态性、并发性、独立性与制约性。

进程包含数据集合和运行于其上的程序，它至少由程序块、数据块和进程控制块等要素组

成，因此具有结构性。动态性是指：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，

进程是动态产生，动态消亡的。而并发性是指：任何进程都可以同其他进程一起并发执行。

进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位，因此具有

独立性。由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可

预知的速度向前推进，所以进程是具有制约性的。

按照进程在执行过程中的不同情况至少要定义三种进程状态：首先是运行态，运行态

是指进程占用处理器的状态。其次是就绪态，进程具备运行条件，等待系统分配处理器以

便其运行状态，最后是等待态又称阻塞态或睡眠态，是指进程不具备运行条件，正在等待

某个事件完成的状态。

在我们的计算机的操作系统中存在很多进程，而这些进程可以在任务管理器中查看。

如下图。在我们的计算机中的浏览器、QQ等应用程序的使用都可以称作一个进程，而且

配置鼠标的应用程序也属于进程。

由于进程的状态在不断发生变化，某时刻进程的内容及其状态集合成为进程映像。包

括进程控制块、进程程序块、进程核心块和进程数据块。而在操作系统中，进程物理实体

和支持进程运行的环境合称进程上下文。进程上下文由用户级上下文、寄存器上下文和系

统级上下文三部分。并发系统中往往同时存在许多进程，一般来说，把处于同一状态的所

有进程的PCB链接在一起的数据结构称为进程队列，通用的队列组织方式是：线性方式、

连接方式和索引方式。

中篇

线程，是进程中能够并发执行的实体，是进程的组成部分，也是处理器调度和分派的

基本单位。

线程的组成部分有：①线程的唯一标识符及线程状态信息②未运行时所保存的线程上

下文；可以把线程看成进程中一个独立的程序计数器③核心栈，在核心态工作时保存参数，

在函数调用时的返回地址④用于存放线程局部变量和用户栈的私有存储区。同进程相似，

线程同样具有生命周期，因此也存在运行、就绪和等待状态。

多线程概念的引入使得单个进程可以利用CPU和设备之间的并行性，及多处理器之间

的并行性。多线程程序的优点是提高系统性能，具体表现在：快速线程切换、节省主存空

间、减少管理开销、通信易于实现和并发程度提高。线程具有多种组织方式：第一种是调

度员-工作者模式，进程中的一个线程担任调度员，接收和处理工作请求，其他线程是工作

者线程，由调度员线程分配任务并唤醒工作者线程；第二种是组模式，第三种是流水线模

式。多线程技术在现代计算机软件中广泛应用，多线程技术的主要应用包括：前台和后台

工作、客户-服务器应用模式、任务异步处理、用户界面设计等。

多线程的实现分为三类：用户级线程、内核级线程以及某些系统提供混合方式，同时

支持ULT和KLT两种线程。内核级线程是指线程的管理工作由内核完成。内核级线程的优

点是：①在多处理器上内核能够同时调度同一进程中的多个线程并行执行。②若进程中的

一个线程被阻塞，内核级线程只有很小的数据结构和堆栈，其切换速度比较快，内核自身

也可以用多线程技术实现，从而提高系统的执行效率。内核级同样存在缺点，比如系统开

销大。而在三种线程中混合式线程即支持用户级线程，又支持内核级线程。

线程具有以下属性。①轻型实体线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必

不可少的、能保证独立运行的资源，比如，在每个线程中都应具有一个用于控制线程运行

的线程控制块TCB，用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参

数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。②独立调度和分派的基本单位。在多线程OS中，

线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，

故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。③可并发执行。在一个进程中的多

个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同

进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。4）共

享进程资源。在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：

所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空

间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。

由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。

下篇

线程与进程的比较：

进程是资源分配的基本单位。所有与该进程有关的资源，都被记录在进程控制块PCB

中。以表示该进程拥有这些资源或正在使用它们。另外，进程也是抢占处理机的调度单位，

它拥有一个完整的虚拟地址空间。当进程发生调度时，不同的进程拥有不同的虚拟地址空

间，而同一进程内的不同线程共享同一地址空间。

与进程相对应，线程与资源分配无关，它属于某一个进程，并与进程内的其他线程一

起共享进程的资源。线程只由相关堆栈（系统栈或用户栈）寄存器和线程控制表TCB组成。

寄存器可被用来存储线程内的局部变量，但不能存储其他线程的相关变量。

通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线

程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独

立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出

的开销就会小得多，能更高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度，从而显著提高系

统资源的利用率和吞吐量。因而近年来推出的通用操作系统都引入了线程，以便进一步提

高系统的并发性，并把它视为现代操作系统的一个重要指标。

线程与进程的区别可以归纳为以下4点：

①地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。

某进程内的线程在其它进程不可见。②通信：进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程

数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一

致性。③调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。④在多线程OS中，

进程不是一个可执行的实体。

在操作系统中熟悉掌握进程与线程的概念是必须的，这将对我们的操作系统学习有很

大帮助，因此对线程与进程概念的掌握会为我们学习打下坚实的基础。