进程与线程
进程
进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配的基本单位。
进程控制块（PCB）
每个进程在内核中对应一个 task_struct（Linux），包含：
- 进程标识符：PID
- 状态信息：就绪、运行、阻塞、终止、僵尸
- 调度信息：优先级、调度策略
- 内存信息：代码段/数据段/堆栈指针、页表
- 文件信息：打开的文件描述符表
- 上下文数据：寄存器值（保存/恢复用）
进程状态与转换
创建 → 就绪 ←→ 运行 → 终止
↓ ↑ ↓
阻塞 阻塞挂起/就绪挂起- 就绪态：已具备运行条件，等待 CPU 分配
- 运行态：正在 CPU 上执行
- 阻塞态：等待某事件（IO 完成、锁释放）
- 僵尸态：已终止但 PCB 未被父进程回收
- 孤儿态：父进程先于子进程终止，由 init 进程收养
上下文切换
CPU 从执行一个进程切换到另一个进程时，需要：
- 保存当前进程的寄存器状态（PC、SP、通用寄存器等）到 PCB
- 加载新进程的 PCB 状态到寄存器
- 刷新 TLB 和 CPU 缓存（部分）
- 切换到新进程的页表
切换代价：纯开销，约 1-10μs，切换频率过高会降低系统吞吐量。
进程调度算法
| 算法 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|
| FCFS | 先来先服务 | 公平但平均等待时间长，不利于短作业 |
| SJF | 最短作业优先 | 平均等待时间最小，但难以预知执行时间 |
| SRTF | 最短剩余时间优先 | SJF 抢占版，更公平但切换频繁 |
| RR | 时间片轮转 | 响应快，时间片大小关键 |
| 优先级调度 | 高优先级先执行 | 可能导致低优先级饿死 |
| 多级反馈队列 | 多队列 + 不同时间片 | Linux CFS 类似方案 |
进程间通信（IPC）
| 方式 | 说明 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 管道（Pipe） | 半双工，父子进程 | 简单数据流 |
| 命名管道（FIFO） | 文件系统路径，任意进程 | 无亲缘进程通信 |
| 消息队列 | 内核维护的消息链表 | 结构化消息 |
| 共享内存 | 最快的 IPC，需同步 | 大量数据交换 |
| 信号量 | 计数器 + 原子操作 | 同步与互斥 |
| 信号（Signal） | 异步通知 | 事件通知、中断处理 |
| Socket | 跨网络通信 | 分布式系统 |
| 内存映射文件 | mmap 共享映射 | 大文件共享 |
线程
线程是 CPU 调度的基本单位，隶属于进程。同一进程的线程共享地址空间（代码段、数据段、堆），但拥有独立的栈和寄存器上下文。
线程 vs 进程
| 对比 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 资源拥有 | 独立地址空间、文件描述符 | 共享进程资源 |
| 切换开销 | 大（需切换页表、刷新 TLB） | 小（仅保存/恢复寄存器） |
| 通信方式 | IPC（管道/消息/共享内存） | 直接读写共享内存 |
| 健壮性 | 进程间隔离，一个崩溃不影响其他 | 一个线程崩溃可能拖垮整个进程 |
| 创建开销 | 重（复制 PCB、分配资源） | 轻（仅分配栈和 TCB） |
线程模型
- 1:1 模型（Linux NPTL）：一个用户线程对应一个内核线程，简单高效，但线程数受限于内核资源
- N:1 模型：多个用户线程映射到一个内核线程，切换快但无法利用多核
- N:M 模型：多对多，灵活但实现复杂，Go 的 GMP 模型近似此类
协程（Coroutine）
协程是用户态的"轻量级线程"，由程序自身调度而非内核：
- 协作式调度：主动让出（yield），而非抢占
- 栈极小：初始几 KB，可动态增长
- 切换极快：纯用户态操作，约几十纳秒
- 典型实现：Go goroutine、Python async/await、Kotlin coroutine、Lua coroutine
Linux 线程实现
Linux 下 fork() 创建进程，clone() 创建线程：
c
clone(CLONE_VM | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, ...) // 创建线程（轻量级进程）
fork() // 创建进程内核视角不存在"线程"概念，所有可执行实体都是 task_struct，只是共享资源的多寡不同。
常见面试问题
- 进程和线程的区别是什么？分别适用于什么场景？
- 上下文切换为什么昂贵？如何优化？
- Linux 的
fork()底层做了什么？写时复制（COW）如何工作？ - select/poll/epoll 的区别？
- 协程和线程的根本区别？为什么协程切换更快？
- 进程间通信中，共享内存为什么最快？使用时需要注意什么？