面试官：说说有了进程，为什么还要有线程？
1. 引子2. 进程是什么？3. 进程到底重在哪？3.1 上下文切换3.1.1 什么是上下文？3.1.2 有哪些类型的上下文切换？
3.2 进程通信3.2.1 为什么要进程通信？3.2.2 进程之间通信
4. 线程5. 总结
1. 引子
为什么说进程是操作系统进行资源分配的基本单位？既然有了进程，为什么还要引入线程？都说进程很重，那么到底重在哪？
2. 进程是什么？
前文【进程的前世今生】我们一起学习了进程的诞生。
到底什么是进程？
从进程的结构看：进程是一个应用程序的运行实例，是程序运行时的一个实体。从进程的功能看：进程是应用程序运行时所需资源的容器。从操作系统对进程实现的角度来说：进程是一堆数据结构。
对于程序员来说，程序就是用计算机语言写的一系列指令，告诉计算机怎么完成任务，解决问题。
简单来说，程序就是教计算机该怎么干活。
但程序本身并没有生命周期，它只是在磁盘上的一些指令和数据。要让它运行，操作系统需要为程序提供资源和管理，进而引出了【进程】这一概念。
程序本身不涉及资源的管理与保护，进程的作用是管理程序所需的资源。如果每个程序都能随意访问计算机资源，就会引发各种问题。这就是为什么说：进程是资源管理的基本单位。
进程的出现不仅解决了资源分配的问题，还解决了另一个重要问题：并发。 通过进程，多个任务可以同时运行，从而更高效地利用CPU。
无论是单核CPU还是多核CPU，操作系统都需要调度进程，合理安排每个进程的运行时间。因此，进程是操作系统调度的独立单位。
然而，CPU是有限的，操作系统需要调度进程，合理分配CPU资源。这就引出了进程间通信的问题：多个进程共享资源或数据时，需要保持一致，确保数据正确。
有了进程以后，为什么还会出现线程呢?
3. 进程到底重在哪？
进程虽然在资源管理和并发执行上发挥了重要作用，但也存在一些问题：
上下文切换成本高：操作系统在切换进程时需要保存和恢复大量的状态信息，这会消耗相当一部分CPU时间，影响性能。进程间通信麻烦：由于进程之间是相互独立的，不能直接共享数据，它们必须通过复杂的机制（如消息队列、共享内存等）来进行通信，这增加了开发难度和系统开销。
3.1 上下文切换
3.1.1 什么是上下文？
操作系统通过时间片分配来让多个进程轮流执行。比如，有三个进程：A、B、C。进程A首先获得CPU时间片执行。当A的时间片用完，操作系统就会切换到进程B或C。
问题是，A未执行完成，如何确保下次继续执行？为了解决这个问题，操作系统引入了“上下文”的概念。
在每个任务运行前，CPU需要知道任务是从哪儿运行的，然后从哪儿开始的，也就是说，需要系统给它设置好CPU寄存器和程序计数器。
CPU寄存器：CPU内置的容量小，但是速度极快的内存；程序计数器：是用来存储正在执行的指令位置，或者即将执行的下一条指令位置。
他们是CPU在运行任何任务前，都必须依赖的环境，因此也被叫做CPU上下文。
那什么是上下文切换呢？
CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
比如操作系统暂停进程A，执行进程B时：
保存A的上下文：当进程 A 暂停时，操作系统将A的状态（如寄存器、程序计数器等）保存下来。加载B的上下文：然后，操作系统加载进程B的状态，确保B能从上次停止的地方继续执行。
当A再次运行时，操作系统会恢复A的状态，让它从上次停止的地方继续执行。这样一来，多个进程可以交替执行，而不互相干扰。
3.1.2 有哪些类型的上下文切换？
根据任务的不同，上下文切换可以分为几种主要场景：系统调用上下文切换、进程上下文切换、线程上下文切换和中断上下文切换。
①. 进程上下文切换
在进程上下文切换过程中，操作系统需要完成以下操作：
保存当前进程的上下文（如寄存器状态、程序计数器等）加载新进程的上下文更新内存管理单元（MMU）以映射新进程的地址空间切换到新进程的执行环境
②. 系统调用上下文切换
操作系统的核心是内核（Kernel），它是独立于普通应用程序的，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。
为了保证内核的安全，现在的操作系统一般都强制用户进程不能直接操作内核。具体的实现方式基本上都是由操作系统把内存空间划分为两部分。一部分为内核空间，一部分为用户空间。
内核空间是操作系统内核访问的区域，独立于普通的应用程序，是受保护的内存空间。 用户空间是普通应用程序可访问的内存区域。
用户态是应用程序运行时的正常状态。在用户态下，程序的权限受限，无法直接访问硬件资源或修改操作系统的核心数据。内核态是操作系统核心代码运行时的状态。在内核态下，操作系统拥有完全的权限，可以直接访问硬件、管理内存、执行系统级操作等。
对于进程来说，通常运行在用户态，但当需要访问内存、磁盘等硬件设备时，需要通过系统调用切换到内核态。
举个例子，假如我们进行文件操作：
调用 open() 打开文件。使用 read() 读取文件内容。调用 write() 输出内容。最后使用 close() 关闭文件。
每次调用这些函数时，实际上都会涉及两次CPU上下文切换：
从用户态切换到内核态，CPU先保存当前的用户态状态。内核操作完成后，再切回用户态，恢复原来的状态，继续执行进程。
系统调用中的上下文切换与进程上下文切换的区别：
系统调用的上下文切换：在同一进程内，从用户态切换到内核态再回到用户态，不涉及虚拟内存或进程资源的切换。进程上下文切换：涉及从一个进程切换到另一个进程，需要切换虚拟内存、栈、全局变量等资源，成本更高。
③. 线程上下文切换
线程上下文切换就可以分为两种情况：
线程属于同一个进程，由于属于同一个进程，那么虚拟内存等资源不需要切换，只需要切换线程的私有资源，例如栈、寄存器等资源即可。线程属于不同进程，这个时候切换过程跟进程上下文切换没有区别。
也就是说，在同一进程内线程上下文切换的代价是比进程切换小的。
3.2 进程通信
3.2.1 为什么要进程通信？
进程间通信的需求可以类比人与人之间的交流。有两个主要原因。
首先是因为你有和对方沟通的需求，如果你都不想搭理对方，那就肯定不用通信了。其次是因为有空间隔离，如果你俩在一起，对方就站在你面前，你有话直说就行了，不需要通信。
同样，在软件系统中也需要进程间通信，原因和上面类似。
任务需求：软件中常常需要多个进程协同工作，比如一个进程请求另一个进程提供服务，或者某进程需要向其他进程发送消息。隔离限制：每个进程都有独立的用户空间，互相看不到对方的数据。这种隔离虽然保障了系统安全，但阻碍了直接交流，因此必须通过特定的通信机制来实现信息共享。
3.2.2 进程之间通信
我们之前说过，每个进程的用户地址空间是独立的，通常无法直接访问其他进程的内存。但所有进程通过内核空间进行管理和调度，进程间的通信必须通过内核提供的机制进行。
Linux 内核提供了不少进程间通信的机制：
管道（Pipe）消息队列（Message Queue）共享内存（Shared Memory）信号（Signal）套接字（Socket）信号量（Semaphore）内存映射文件（Memory-Mapped Files）
进程间通信存在的问题：
性能开销：由于进程间内存隔离，数据必须通过内核缓冲区传递，导致频繁的数据复制和上下文切换，增加性能开销。同步与互斥：多个进程同时操作共享资源时，必须确保数据一致性，防止竞态条件和冲突，这需要使用复杂的同步机制，如锁、信号量等。
4. 线程
简单理解，线程是进程当中的一条执行流程。
同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程都有独立一套的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。
为了更通俗地理解，我们做一个简单的类比：
计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。
5. 总结
①. 操作系统如何保证进程隔离的？
操作系统中运行了大量进程，为了不让它们互相干扰，可以考虑为它们分配彼此完全隔离的内存区域，即便进程内部程序读取了相同地址，而实际的物理地址也不会相同。
这就好比 A 小区的 10 号楼 808 和 B 小区的 10 号楼 808 不是一套房子，这种方法叫作地址空间。
②. 什么是上下文？
上下文可以理解为“进程在运行时的全部状态和资源”。比如，进程正在做什么、它在哪个位置、它的内存数据是什么、它的计算结果是什么等等。这些信息都被称为上下文。
③. 为什么要引入线程？
简单来说，进程是资源的拥有者，每个进程需要分配内存、CPU时间等资源。创建、销毁进程和切换进程需要比较大的开销。如果我们每次都频繁切换进程，系统的效率会下降。
为了提高效率并减少开销，操作系统提出了“线程”这个概念。
线程就是在进程内部进行调度的小单位，它不需要像进程一样分配和管理资源。多个线程可以共享同一个进程的资源（比如内存），但每个线程都有自己的执行任务。
这样，通过使用线程，操作系统可以在进程内更高效地分配时间和资源，减少不必要的开销，同时也能让多个任务并行处理，提高系统的整体并发能力。
④. 进程到底重在哪？
上下文切换开销高：进程之间的上下文切换需要保存和恢复大量的状态信息，涉及虚拟内存、寄存器、堆栈等，增加了系统负担。通信复杂：进程之间有严格的内存隔离，这虽提高了安全性，但也导致了进程间通信复杂，必须依赖内核来传递数据，造成性能瓶颈。资源消耗大：进程需要独立的内存空间和资源，创建和销毁进程开销大，导致系统效率低。