程序員面試都會遇到的問題:進程和線程的區別,你該如何回答?

程序員面試都會遇到的問題:進程和線程的區別,你該如何回答?

當你剛入職場時,無論你是用C++還是Java甚至只是應聘運維崗位,相信你都會遇到這個問題。

這是一個很基礎的問題,但又是一個很考驗人水平的問題。

說基礎是因爲每個學計算機的人都應該懂,進程線程是計算機的基礎概念,是每個程序員時時刻刻都要接觸的東西。

但這又是一個充滿陷阱可以無限擴展和深入的一個問題。比如可以從操作系統知識擴展到計算機組成原理,可以從單線程擴展到併發編程,可以從併發編程深入到線程同步、線程安全、進程間通信等等。

那麼我們該如何回答好這個問題呢?

既然要談區別,那麼首先需要理解什麼是進程和線程。

之前,我讀到一篇材料,發現有一個很好的類比,可以把它們解釋地清晰易懂。

程序員面試都會遇到的問題:進程和線程的區別,你該如何回答?

1.計算機的核心是CPU,它承擔了所有的計算任務。它就像一座工廠,時刻在運行。

2.假定工廠的電力有限,一次只能供給一個車間使用。也就是說,一個車間開工的時候,其他車間都必須停工。背後的含義就是,單個CPU一次只能運行一個任務。

3.進程就好比工廠的車間,它代表CPU所能處理的單個任務。任一時刻,CPU總是運行一個進程,其他進程處於非運行狀態。

4.一個車間裏,可以有很多工人。他們協同完成一個任務。

5.線程就好比車間裏的工人。一個進程可以包括多個線程。

6.車間的空間是工人們共享的,比如許多房間是每個工人都可以進出的。這象徵一個進程的內存空間是共享的,每個線程都可以使用這些共享內存。

7.可是,每間房間的大小不同,有些房間最多隻能容納一個人,比如廁所。裏面有人的時候,其他人就不能進去了。這代表一個線程使用某些共享內存時,其他線程必須等它結束,才能使用這一塊內存。

8.一個防止他人進入的簡單方法,就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門,後到的人看到上鎖,就在門口排隊,等鎖打開再進去。這就叫"互斥鎖"(Mutual exclusion,縮寫 Mutex),防止多個線程同時讀寫某一塊內存區域。

9.還有些房間,可以同時容納n個人,比如廚房。也就是說,如果人數大於n,多出來的人只能在外面等着。這好比某些內存區域,只能供給固定數目的線程使用。

10.這時的解決方法,就是在門口掛n把鑰匙。進去的人就取一把鑰匙,出來時再把鑰匙掛回原處。後到的人發現鑰匙架空了,就知道必須在門口排隊等着了。這種做法叫做"信號量"(Semaphore),用來保證多個線程不會互相沖突。

不難看出,mutex是semaphore的一種特殊情況(n=1時)。也就是說,完全可以用後者替代前者。但是,因爲mutex較爲簡單,且效率高,所以在必須保證資源獨佔的情況下,還是採用這種設計。

11.操作系統的設計,因此可以歸結爲三點:

  • 以多進程形式,允許多個任務同時運行;

  • 以多線程形式,允許單個任務分成不同的部分運行;

  • 提供協調機制,一方面防止進程之間和線程之間產生衝突,另一方面允許進程之間和線程之間共享資源。

這個類比可以很形象的說明進程與線程的區別。

當然面試的時候你不可能說上這一堆,面試官估計要跟你急,時間寶貴,我們需要用最精簡的語言說出兩者的概念以及區別。

你可以這樣分點回答(面試時需要邏輯條理清晰、語言簡潔、直中要害):

(1)進程

進程是程序的一次執行過程,是一個動態概念,是程序在執行過程中分配和管理資源的基本單位,每一個進程都有一個自己的地址空間,至少有 5 種基本狀態,它們是:初始態,執行態,等待狀態,就緒狀態,終止狀態。

(2)線程

線程是CPU調度和分派的基本單位,它可與同屬一個進程的其他的線程共享進程所擁有的全部資源。

(3)聯繫

線程是進程的一部分,一個線程只能屬於一個進程,而一個進程可以有多個線程,但至少有一個線程。

(4)區別:理解它們的差別,我從資源使用的角度出發。(所謂的資源就是計算機裏的中央處理器,內存,文件,網絡等等)

根本區別:進程是操作系統資源分配的基本單位,而線程是任務調度和執行的基本單位

在開銷方面:每個進程都有獨立的代碼和數據空間(程序上下文),程序之間的切換會有較大的開銷;線程可以看做輕量級的進程,同一類線程共享代碼和數據空間,每個線程都有自己獨立的運行棧和程序計數器(PC),線程之間切換的開銷小。

所處環境:在操作系統中能同時運行多個進程(程序);而在同一個進程(程序)中有多個線程同時執行(通過CPU調度,在每個時間片中只有一個線程執行)

內存分配方面:系統在運行的時候會爲每個進程分配不同的內存空間;而對線程而言,除了CPU外,系統不會爲線程分配內存(線程所使用的資源來自其所屬進程的資源),線程組之間只能共享資源。

包含關係:沒有線程的進程可以看做是單線程的,如果一個進程內有多個線程,則執行過程不是一條線的,而是多條線(線程)共同完成的;線程是進程的一部分,所以線程也被稱爲輕權進程或者輕量級進程。

程序員面試都會遇到的問題:進程和線程的區別,你該如何回答?

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爲什麼需要設計線程?

在傳統進程模型中,進程的內涵可分爲下面兩個方面:

調度、執行的基本單位:每個進程都有自己的運行狀態、優先級、寄存器等,是OS調度的基本單位。

資源所有權:包括程序、數據、文件等資源。一個進程擁有對這些資源的所有權,OS則提供保護功能,避免不同進程之間的資源衝突。

既然是兩個獨立的功能,可不可以把它們分離呢?這就出現了線程(thread)的概念:

執行與調度的基本單位:thread

資源所有權:process

那麼執行與調度的基本單位是線程,這樣設置有什麼好處?

計算機操作系統裏面有兩個重要概念:併發和隔離。

併發是爲了儘量讓硬件利用率高,線程是爲了在系統層面做到併發。線程上下文切換效率比進程上下文切換會高很多,這樣可以提高併發效率。

隔離也是併發之後要解決的重要問題,計算機的資源一般是共享的,隔離要能保障崩潰了這些資源能夠被回收,不影響其他代碼的使用。所以說一個操作系統只有線程沒有進程也是可以的,只是這樣的系統會經常崩潰而已,操作系統剛開始發展的時候和這種情形很像。

所以:線程和併發有關係,進程和隔離有關係。線程基本是爲了代碼併發執行引入的概念,因爲要分配cpu時間片,暫停後再恢復要能夠繼續和沒暫停一樣繼續執行;進程相當於一堆線程加上線程執行過程中申請的資源,一旦掛了,這些資源都要能回收,不影響其他程序。

寫在最後:

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