许大仙
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🔥更新：2024-12-09📝字数: 0 字⏱时长: 0 分钟

第一章：程序到底是怎么在计算机中运行的？ ​

1.1 回顾冯·诺依曼体系结构 ​

  • 冯·诺依曼体系结构的理论要点如下：

    • ① 存储程序：程序指令和数据都存储在计算机的内存中，这使得程序可以在运行时修改。
    • ② 二进制逻辑：所有数据和指令都以二进制形式表示。
    • ③ 顺序执行：指令按照它们在内存中的顺序执行，但可以有条件地改变执行顺序。
    • ④ 五大部件：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。
    • ⑤ 指令结构：指令由操作码和地址码组成，操作码指示要执行的操作，地址码指示操作数的位置。
    • ⑥ 中心化控制：计算机的控制单元（CPU）负责解释和执行指令，控制数据流。

  • 冯·诺依曼体系结构中的五大部件，如下所示：

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提醒

上述的组件协同工作，构成了一个完整的计算机系统：

  • 运算器和控制器通常被集成在一起，组成中央处理器（CPU），负责数据处理和指令执行。
  • 存储器（内存）保存数据和程序，是计算机运作的基础。
  • 输入设备和输出设备负责与外界的交互，确保用户能够输入信息并接收计算机的处理结果。

1.2 现代计算机和冯·诺依曼体系结构的关系 ​

  • 现代微型个人计算机中主板的结构，如下所示：
  • 其中，控制器在冯·诺依曼体系结构中主要负责指令的解释和控制，它对应于 CPU 内部的控制单元（Control Unit，CU），其主要功能有：
    • ① 指令的取指、解码和控制：将指令发送给CPU的各个单元执行。
    • ② 发出控制信号：协调各部件（如存储器和I/O设备）之间的数据交换和操作。

提醒

控制器，即：控制单元，是 CPU 的核心管理者，使得指令得以被顺序执行，并管理程序流程。

  • 其中，运算器在冯·诺依曼体系结构中主要用于执行各种算术运算和逻辑运算，它对应于 CPU 内部的算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），其主要功能有：
    • ① 处理算术运算：加、减、乘、除等算术操作。
    • ② 处理逻辑运算：与、或、非等逻辑操作。

提醒

运算器，即：算术逻辑单元，使得 CPU 可以直接处理数据运算，是计算机执行计算任务的核心。

  • 其中，存储器在冯·诺依曼体系结构中主要用于存放程序指令和数据，对应于计算机的主存储器（RAM），也包括 CPU 内部的 寄存器（Register）和缓存（Cache），其主要功能有：
    • ① 寄存器：寄存器是 CPU 内部的高速存储单元，主要用于临时存储数据和指令。
    • ② 缓存：缓存是 CPU 中的高速缓存存储器，存放的是最近使用的数据或指令，分为 L1、L2、L3 三级缓存。缓存的作用是减少CPU访问内存的时间，因为缓存比内存的访问速度要快得多。
    • ③ 主存储器：用于长期存储数据和程序指令，CPU 通过总线接口单元与它交互。

提醒

存储器在冯·诺依曼结构中的位置十分重要，因为程序指令和数据都存储在这里，CPU 直接从这里获取需要的指令和数据。

  • 其中，输入设备提供外界与计算机交互的方式，如：键盘、鼠标等，用户通过这些设备向计算机输入数据或指令。在现代计算机中，输入设备通过 I/O 接口连接到计算机系统，CPU 通过总线控制与它们通信。

提醒

  • ① 虽然输入设备不直接存在于 CPU 内部，但它们在计算机系统整体架构中属于不可缺少的部件。
  • ② 控制器发出的信号可以协调 CPU 从输入设备接收数据。
  • 其中，输出设备是冯·诺依曼结构中实现计算结果输出的部分，如：显示器、打印机等。CPU 处理完数据后，最终需要通过输出设备来将结果展示给用户。

提醒

和输入设备一样，输出设备也通过 I/O 接口连接到计算机系统，控制器和总线接口单元负责协调 CPU 与输出设备的交互。

1.3 现代 CPU 的结构 ​

  • 现代 CPU 在主板上的示意图，如下所示：

提醒

现代 CPU 除了控制单元、算术逻辑单元、寄存器、缓存等，还有浮点运算单元、总线接口单元、分支预测单元、指令流水线以及超标量单元和多核单元：

  • ① 浮点运算单元（Floating Point Unit，FPU）：专门用于处理浮点数运算。浮点运算通常比整数运算复杂且计算量大，因此 FPU 可以加速此类操作，尤其是在科学计算、图形处理等需要大量小数计算的应用中。
  • ② 总线接口单元（Bus Interface Unit，BIU）：负责与系统总线，如：数据总线和地址总线进行交互，将数据在CPU和主存储器之间传递。它管理从内存加载指令和数据到CPU，以及将计算结果写回到内存。
  • ③ 分支预测单元（Branch Predictor Unit）：分支预测单元用于预测程序中的分支，如：if-else、循环跳转等，将会如何执行。正确的预测可以避免不必要的指令等待，提高执行效率。
  • ④ 指令流水线（Instruction Pipeline）：指令流水线允许多个指令同时进行不同阶段的处理（如：取指令、解码、执行等），从而提升 CPU 的并行处理能力，使得 CPU 在同一时刻能高效地处理多条指令。
  • ⑤ 超标量单元和多核结构：每个核都有独立的 ALU 和 CU，可以并行处理不同任务，实现多线程和并行计算。

1.4 程序到底是怎么在计算机中运行的？ ​

1.4.1 概述 ​

  • 程序在计算机中运行的过程涉及多个复杂的步骤，从代码到实际的机器执行分为几个主要阶段：编写代码、编译或解释代码、加载程序、CPU 执行指令和与硬件交互。
  • 程序在计算机中运行的主要流程，如下所示：

1.4.2 编写代码 ​

  • 程序员用高级编程语言，如：Python、Java、C、C++等，编写程序代码。这些高级语言对人类更友好，但计算机无法直接理解这些代码。

1.4.3 编译或解释 ​

  • 代码编写完成后，需要经过编译或解释的步骤：
    • 编译（Compile）：将高级语言代码转换为机器码。机器码是计算机能够直接执行的二进制代码。像 C、C++ 这样的编译型语言需要通过编译器将代码编译成可执行文件。
    • 解释（Interpret）：解释型语言，如：Python等，不需要编译为机器码，而是由解释器逐行读取和执行代码。在这种情况下，解释器本身负责将代码翻译为机器能够执行的指令。

1.4.4 加载程序 ​

  • 一旦代码被编译或准备好，操作系统（Windows、Linux、macOS） 会将程序加载到内存中。
  • 操作系统中的加载器（Loader）负责将程序的机器代码加载到内存中，并为程序分配资源，如：内存空间、文件句柄等。

1.4.5 CPU 执行指令 ​

  • 程序加载到内存后，CPU便开始执行指令。整个过程如下：
    • 取指令（Fetch）：CPU 的控制单元从内存中获取下一条指令。
    • 解码指令（Decode）：控制单元将指令译码成具体的操作。不同指令会涉及不同的操作类型，如：算术运算、逻辑运算、数据移动等。
    • 执行指令（Execute）：CPU 执行指令，完成指定的操作。操作可能包括计算、存取内存、跳转到其他指令等。
    • 写回（Writeback）：执行完的结果可能被写回到寄存器或内存中，供后续指令使用。

1.4.6 与硬件交互 ​

  • 计算机程序的执行不仅仅是 CPU 处理指令，还涉及到不同硬件的协作，如：内存、硬盘、输入输出设备等。
  • 通过操作系统的管理，程序可以访问并控制这些硬件，例如：
    • 内存管理：操作系统分配内存给程序，CPU 在运行时不断从内存中取出指令和数据。
    • 硬盘存储：程序可能需要从硬盘读取或写入数据。
    • I/O操作：程序需要与外部设备交互，如：显示输出、接收键盘输入等。

第二章：虚拟地址空间 ​

2.1 概述 ​

  • 在学习 C 语言中的过程中，我们可以通过 & 运算符来获取变量的内存地址，如下所示：
c
#include <stdio.h>

// 全局变量
int a = 10;
int b = 20;

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    printf("a = %p\n", &a); // a = 0x55fda7351010
    printf("b = %p\n", &b); // b = 0x55fda7351014

    return 0;
}
  • 我们也知道，现代操作系统是多用户、多任务、图形化、网络化的操作系统。其中，所谓的多任务就是可以支持多个应用程序（进程），如下所示：

提醒

  • ① 正如上面的程序一样，程序在链接的时候，内存地址就已经确定了，无法改变。
  • ② 如果此时，物理内存中的内存地址已经被该程序占用了，那么其它程序岂不是运行不了？
  • ③ 如果此时，物理内存中的内存地址已经被其它程序占用了，那么该程序岂不是运行不了？
  • 其实，这些地址都是假的，并不是真实的物理地址，而是虚拟地址（虚地址）。虚拟地址（虚地址）需要通过 CPU 内部的 MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）来将这些虚拟地址（虚地址）转换为物理地址（实地址），如下所示：

2.2 虚拟地址空间模型 ​

  • 为了更好的管理程序，操作系统将虚拟地址空间分为了不同的内存区域，这些内存区域存放的数据、用途、特点等皆有不同，下面是 Linux 下 32 位环境的经典内存模型，如下所示：
  • 每个内存区域的特点，如下所示：
内存分区说明
程序代码区（code）存储程序的执行代码，通常为只读区，包含程序的指令。 程序启动时，这部分内存被加载到内存中，并不会在程序执行期间改变。
常量区（constant）存放程序中定义的常量值，通常也是只读的，这些常量在程序运行期间不可修改。
全局数据区（global data）存储程序中定义的全局变量和静态变量。 这些变量在程序的整个生命周期内存在，且可以被修改。
堆区（heap）用于动态分配内存，例如：通过 malloc 或 new 分配的内存块。 堆区的内存由程序员手动管理，负责分配和释放。 如果程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。
动态链接库动态链接库（如： .dll 或 .so 文件）被加载到内存中特定的区域，供程序运行时使用。
栈区（stack）用于存储函数调用的局部变量、函数参数和返回地址。 栈是自动管理的，随着函数的调用和返回，栈上的内存会自动分配和释放。

提醒

  • ① 程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，不能销毁也不能增加（大小已被固定），只能等到程序运行结束后由操作系统收回，所以全局变量、字符串常量等在程序的任何地方都能访问，因为它们的内存一直都在。
  • ② 函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。
  • ③ 常量区、全局数据区、栈上的内存由系统自动分配和释放，不能由程序员控制。程序员唯一能控制的内存区域就是堆（Heap）：它是一块巨大的内存空间，常常占据整个虚拟空间的绝大部分，在这片空间中，程序可以申请一块内存，并自由地使用（放入任何数据）。堆内存在程序主动释放之前会一直存在，不随函数的结束而失效。在函数内部产生的数据只要放到堆中，就可以在函数外部使用。
  • 在 64 位 Linux 环境下，虚拟地址空间大小为 256TB，Linux 将高 128TB 的空间分配给内核使用，而将低 128TB 的空间分配给用户程序使用，如下所示：

提醒

  • ① 程序代码区，也可以称为代码段；而全局数据区和常量区，也可以称为数据段。
  • ② 全局数据区分为初始化数据段（存储已初始化的全局变量和静态变量）和未初始化数据段（存储未初始化的全局变量和静态变量）；常量区也称为只读数据段，通常是只读的，防止数据被修改。
  • ③ 冯·诺依曼体系结构中的程序，也被称为存储式程序，需要通过加载器（Loader），将程序从硬盘加载到内存中运行。
  • ④ 存储式程序中的程序分为指令和数据；其中，代码段中保存的是指令，数据段中保存的是数据。

第三章：虚拟内存地址 ​

3.1 内存和内存地址 ​

3.1.1 内存 ​

  • 内存是一种计算机硬件，是软件在运行过程中，用来临时存储数据的。在生活中，最为常见的内存就是随机存取存储器（RAM，内存条），其特点如下所示：

    • ① 生活中最常见的内存类型，用于存储当前运行的程序和数据。
    • ② 内存是易失性存储器，这意味着断电后数据会丢失。
    • ③ 它具有高速读写特性，适用于需要快速访问的操作。

  • 内存条的外观，如下所示：

  • 像我们平常使用记事本软件一样，当我们输入一些文字的时候，其实是将数据临时保存在内存中的，如下所示：

提醒

  • ① 目前，很多软件都很智能，如果用户没有将数据到保存文件中，将显示红色，以警告用户还没有保存数据，提醒用户需要尽快保存数据！！！
  • ② 但是，也有很多软件提供了自动保存数据的功能，其原理就是定时（1s、3s、5s）将内存中的数据刷新到文件中，以防止数据丢失！！！
  • ③ 将数据从内存存储到文件中，专业的说法是落盘（落在磁盘上）。
  • 此时，如果我们在没有保存的过程下，将记事本软件关闭，那么刚才输入的文字将丢失；下次，再打开同样的文件（将数据从磁盘加载进内存，再交给 CPU），之前输入的文字将不复存在，如下所示：

提醒

  • ① 目前，很多软件都很智能，如果你没有保存，将提醒你是否保存或丢失刚才输入的文字。
  • ② 但是，也有很多软件提供了自动保存数据的功能，其原理就是定时（1s、3s、5s）将内存中的数据刷新到文件中，以防止数据丢失！！！
  • ③ 将数据从内存存储到文件中，专业的说法是落盘（落在磁盘上）。

重要

内存就是软件在运行过程中，用来临时存储数据的，最为重要的两个步骤就是：

  • ① 将数据保存到内存中。
  • ② 从内存中的对应位置将数据取出来。

3.1.2 内存地址 ​

  • 在这个计算机的内存条，动不动就 32GB、64GB 、128GB 或更高的年代，如下所示：
  • 如果有一个 int （4 个字节）类型的数据 2 ，如何将这个数据保存到内存中？（对应上述的步骤 ①）
  • 就算数据 2 已经保存到内存中，那么内存中那么多的数据，我们又该如何取出呢？（对应上述的步骤 ②）

重要

答案就是内存地址。

  • 操作系统为了更快的去管理内存中的数据，会将内存条按照字节划分为一个个的单元格，如下所示：

提醒

计算机中存储单位的换算，如下所示：

  • 1 B = 8 bit。
  • 1 KB = 1024 B。
  • 1 MB = 1024 KB。
  • 1 GB = 1024 MB。
  • 1 TB = 1024 GB 。
  • ……
  • 为了方便管理，每个独立的小单元格，都有自己唯一的编号（内存地址），如下所示：

  • 之所以，加了内存地址，就能加快数据的存取速度，可以类比生活中的字典：

    • 如果没有使用拼音查找法或部首查找法，我们需要一页一页，一行一行的，在整个字典中去搜索我们想要了解的汉字，效率非常低（如果要搜索的汉字在最后一页，可能需要将整个字典从头到尾翻一遍，这辈子真有可能翻得完？）。
    • 如果使用拼音查找法或部首查找法，我们可以很快的定位到所要了解汉字所在的页数，加快了搜索的效率。

  • 同样的道理，如果没有内存地址，我们只能一个个的去寻找想要的数据，效率非常低下，如下所示：

  • 如果使用内存地址，我们就可以直接定位到指定的数据，效率非常高，如下所示：

重要

内存地址就是虚拟内存空间中某个内存单元（某一个字节区域）的唯一标识。

  • ① 内存地址是计算机中用于标识内存中某个特定位置的数值。
  • ② 每个内存单元都有一个唯一的地址，这些地址可以用于访问和操作存储在内存中的数据。

3.1.3 变量地址 ​

  • 和内存地址相对应的还有一个非常重要的概念就是：变量地址。

提醒

变量地址就是变量所占虚拟内存空间中的第一个字节的内存地址，即：首地址。

  • 以 int 类型的变量 num 为例，如下所示：
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int num = 10;

    printf("num = %p\n", &num);

    return 0;
}
  • 在 32 或 64 位操作系统中， int 类型的变量 num 的地址指的是：在内存中占用 4 个字节内存单元的首地址，如下所示：

3.2 虚拟内存地址 ​

  • 计算机的总线层次结构是这样的，如下所示：
  • 对于 32 位操作系统中，CPU 的寄存器宽度是 32 位，因为它一次性处理的数据量是 32 位（4字节），那么内存地址范围就是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ~ 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 （2 ^ 32 次方）。

提醒

  • ① 在实际开发中，如果使用二进制实现太长了，我们通常都是使用十六进制来表示的。
  • ② 所以，32 位操作系统的虚拟内存地址范围是：0x00000000~ 0xFFFFFFFF。
  • 对于 64 位操作系统中，CPU 的寄存器宽度是 64 位，因为它一次性处理的数据量是 64 位（8字节），那么内存地址范围就是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ~ 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 （2 ^ 64 次方）。

提醒

  • ① 在 64 位的操作系统中，一共有 18,446,744,073,709,551,616 个内存地址，其最大支持的内存大小是 18,446,744,073,709,551,616 字节，即 17,179 TB 。
  • ② 虽然，从理论上 64 位的操作系统支持的内存最大容量是 17,179 TB；但是，实际操作系统会有所限制，如：win11 的 64 位支持的最大内存是 128 GB ~ 6 TB，Linux 64 位支持的最大内存通常是 256 TB。
  • ③ 所以，64 位操作系统的虚拟内存地址范围是：0x0000000000000000~ 0x0000FFFFFFFFFFFF 。

3.3 高地址和低地址 ​

  • Linux 32 位的虚拟地址空间，如下所示：
  • 所谓的低地址：就是位于内存取值范围的较低端，即接近 0 的地址。
  • 所谓的高地址：就是位于内存取值范围的较高端，即接近最大的地址。

3.4 小端存储法 ​

  • 在 32 位操作系统中，对于整型变量 num ，如下所示：
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);
    
    int num = 10;

    printf("num = %p\n", &num); 

    return 0;
}
  • 我们知道，有符号数在计算机底层是采取的二进制补码的形式存储的，如下所示：
  • 如果要存储到虚拟内存空间中，是按照顺序从低到高进行存储？
  • 在 x86_64 等架构的 CPU 中，采取的是小端存储法，即：数据的最低有效字节存储在内存的低地址处，高位字节存储在高地址处，如下所示：
  • 那么，如果采用小端存储在内存中就是这样的，如下所示：
  • 需要注意的是，之前我们在画虚拟内存地址的时候，都是由低向高，方向是↑；但是，在很多编译器中，虽然虚拟内存地址还是由低向高，方向却是反的，即：↓，因为这样更容易调试，如下所示：
  • 在 CLion 中，也可以证明，如下所示：

3.5 大端存储法 ​

  • 所谓大端存储法，指的是在存储数据时，选择将此数据的最低有效位字节存储在高内存地址上。

提醒

大端存储法则比较符合直觉，直接将数据按照高有效位到低有效位，存储在低地址到高地址当中。

  • 大端存储法最常见的场景就是：网络传输数据时，使用大端序列来进行数据传输。

第四章：多线程 ​

4.1 概述 ​

  • 之前提高，在现代 CPU 的结构中，现代 CPU 中使用超标量单元和多核结构：每个核都有独立的 ALU 和 CU，可以并行处理不同任务，实现多线程和并行计算。
  • 那么，到底什么是多线程？

4.2 多核 CPU ​

  • 在早期，CPU 只有一个核心，即：在任意时刻，单核 CPU 只能处理一个任务，如下所示：
  • 但是，随着技术的发展，CPU 开始朝着多核的方向发展，即：给 CPU 安装多个核心，每个核心都能独立的执行计算机指令；换言之，对于多核 CPU 而言，同一时刻可以处理多个任务，大幅度的提升程序的执行效率，如下所示：
  • 就目前而言，我们生活中常见的电子设备几乎都是多核的，如：台式机、笔记本电脑、手机、平板等。
  • 之前，我们编写的程序，都是单线程的程序，即：在任意时刻只能执行一条指令，整个运行过程中也就利用了 CPU 的一个核心，如下所示：
c
#include <stdio.h>

int main(){
    printf("Hello World");
    return 0;
}
  • 如果要想发挥 CPU 多核的威力，我们还需要学习多线程编程技术，即：在任意时刻可以执行多个任务，充分利用 CPU 多核的优势，让程序的执行效率得到质的提升。

提醒

多线程编程技术将在《Linux 系统编程》中讲解！！！

4.3 什么是线程？ ​

4.3.1 概述 ​

  • 对于线程，很多教科书都是这么说的，如下所示：

提醒

  • ① 线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程中，是进程的实际运作单位。
  • ② 线程是进程中的⼀个执⾏单元，负责当前进程中程序的执⾏，⼀个进程中⾄少有⼀个线程。
  • ③ 在计算机专用术语中，线程是指机器中连续的、顺序的属性集合。一个线程包含执行一系列机器指令所必须的机器状态，包括：当前指令位置、地址和数据寄存器等。
  • 上面的说法完全正确，非常严谨；但是，总感觉“好像说了什么，又好像没说什么？”

重要

其实，线程和进程的关系非常密切，要想搞清楚线程是什么，就必须搞清楚进程是什么？

4.3.2 进程（process） ​

  • 对于常见的操作系统，如：Windows、Linux 和 MacOS 而言，它们都属于多用户、多任务、网络化的操作系统。

提醒

  • ① Linux 并不完全属于图形化的操作系统，Linux 完全可以在没有图形化界面的情况下执行任务。
  • ② Windows 和 MacOS 完全属于图形化的操作系统。
  • 在实际生活中，我们经常接触到的操作系统可能就是 Windows 了（MacOS 系列实在是太贵了），它可以同时支持运行 QQ、微信、Chrome 浏览器等多个应用程序，所以 Windows 当然是多任务的操作系统。
  • 在多任务的操作系统中，对于同时执行的多个程序，操作系统负责给它们分配所需要的全部资源（，如：CPU、内存、I/O 设备等），还负责在恰当的时机（如：程序执行结束后）回收这些资源，以便后期其它的程序使用。
  • 为了让操作系统高效的管理（分配和回收）这些计算机资源，人们就提出了进程的概念。

提醒

通过创建进程和销毁进程，操作系统就实现了对计算机资源的高效管理。

  • ① 当一个程序执行的时候，操作系统负责分配所需要的全部资源，包括：程序代码、数据、CPU、内存以及 I/O 设备等，这些资源就会被组织成一个进程。换言之，在程序执行的时候，操作系统会创建进程并给它分配资源。

  • ② 当程序执行完毕后，操作系统就会销毁进程并回收资源。

  • 虽然进程通常代表了一个正在执行的程序，但进程和程序之间并非总是严格的一一对应关系。

提醒

进程可以理解为“正在执行的程序的实例”，但一个程序不一定只对应一个进程。

  • ① 程序和进程的区别：
    • 程序是存储在磁盘上的静态代码和数据，是一组指令的集合，本身不占用 CPU 时间、内存等资源。
    • 进程是程序运行后的动态表现，包含程序的指令、数据、以及用于运行程序的资源，如：CPU 时间、内存、文件句柄等。
  • ② 进程和程序的关系：
    • 当一个程序被执行时，系统会为其创建一个进程，分配运行所需的资源，即：一个运行中的程序通常对应一个进程。
    • 一个程序可以启动多个进程，如：用户可以多次启动同一个应用程序（打开多个文本编辑器窗口），每次启动都会创建一个新的进程。
  • ③ 进程并非总是单一执行：
    • 有些复杂应用（浏览器）会生成多个进程来分工，如：一个主进程负责管理，多个子进程负责不同的功能（渲染页面、处理插件等）。
    • 在这种情况下，一个应用程序可能对应多个进程。
  • 对于系统中存在的多个进程，每个进程都拥有自己的内存空间和系统资源，它们之间相对独立，执行过程中不会互相干扰。

提醒

  • ① 进程包含程序执行所需要的全部计算机资源，包括程序代码、数据、CPU、内存、I/O 设备等。
  • ② 操作系统以进程为单位管理（分配和回收）计算机资源，也就是很多教材中讲的“进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位”。

4.3.3 线程(thread) ​

  • 我们知道，每个正在执行的应用程序都是一个进程，如下所示：
  • 一个完整的程序可能有多个子任务组成，有些任务是可以独立执行的（和其它的任务是同时执行的），每个独立执行的任务就是一个线程，如下所示：
  • 也就是说，线程是进程的一部分，进程和线程的关系，如下所示：

提醒

  • ① 一个进程可以包含多个线程，这些线程可以共享进程的内存空间和一些系统资源，包括：程序代码、数据（全局变量、静态变量、堆内存）、打开的文件资源、网络连接等。当然，各个线程也有自己私有的资源，如：程序计数器、寄存器和栈等。
  • ② 一个进程至少要包含 1 个线程：进程只是操作系统为了方便管理计算机资源才创建的，真正负责执行程序的是线程，而不是进程。
  • 当一个进程只有一个线程的时候，所有的程序代码全部由该线程负责执行，这样的程序叫做单线程程序。

提醒

在学习 C 语言的过程中，并不会涉及多线程技术，而在《Linux 系统编程》中才会引入多线程编程技术。

  • 当进程中包含多个线程时，每个线程分别负责执行一个任务，这样的程序叫做多线程程序。

提醒

在学习 C 语言的过程中，并不会涉及多线程技术，而在《Linux 系统编程》中才会引入多线程编程技术。

注意

单线程程序和多线程程序各有优缺点，如下所示：

  • ① 单线程程序编写简单、易于调试，但是只能顺序执行程序，适用于简单的应用场景。
  • ② 多线程程序可以同时执行多个任务，执行效率高，但编写和调试过程比较复杂，容易出现数据竞争、死锁等问题，适用于复杂的应用场景。

4.3.4 现实生活中的进程和线程的关系 ​

  • 如果将进程看做是一个工厂的话，那么线程就是工厂中的一条条生产线，如下所示：

4.3.5 总结 ​

  • 进程可以是使操作系统高效地管理计算机资源：当程序执行时，操作系统会创建一个进程，进程包含程序执行所需要的全部资源（CPU、内存、I/O 设备等）；当程序执行结束后，对应的进程会被操作系统销毁，占用的资源也会被操作系统回收。

提醒

  • ① 线程是进程的一部分，一个进程可以包含多个线程，但至少要包含一个线程。
  • ② 真正负责执行程序的，是线程，而不是进程。
  • 目前，很多应用程序（软件）都是多线程程序，如：QQ 支持同时和多个好友聊天、迅雷可以同时下载多个资源、大部分杀毒软件可以同时开启杀毒、清理垃圾、电脑加速等功能。

提醒

在实际开发中，只会简单的单线程编程已经远远不足以满足实际项目需求，还需要学会多线程编程！！！

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