你还是分不清多进程和多线程吗?一文搞懂!

1.总体概念

多线程和多进程都是并发编程的两种形式，它们允许计算机同时执行多个任务。虽然这两种方法都可以提高应用程序的性能和响应速度,但它们的原理和使用方式略有不同。

在多线程中，一个应用程序将被划分为若干可并行运行的单元(线程),每条线程独立运行，并且每个线程都有自己的堆栈、寄存器和局部变量等资源，但所有线程共享内存空间和全局变量。这使得线程之间通信更为轻便，因此多线程适合一些I/O密集型的任务，如文件传输、Web服务器等需要频繁读写数据或者相互协作完成某项任务的业务场景。

另一方面，多进程意味着同时运行多个程序实例。这对于计算密集型任务（例如图像处理、视频转码）非常有效，因为它利用了现代多核CPU的能力来加速计算。与多线程不同，多进程能够充分利用操作系统的多任务管理器，确保每个工作进程始终处于最大工作效率状态。由于各个子进程之间具有独立性，因此多进程非常稳定，容错能力也高,即便其中一个进程意外崩溃，整个程序也不会停止工作。除此之外,多进程提供了一种简单且安全的方式来实现数据隔离和安全性。

2. 多线程的定义、原理和特点

多线程是指在同一个程序中同时运行多个线程，每个线程都可以并发地执行不同的任务。多线程的原理是通过CPU的调度机制，来实现多个线程的并发执行。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的内存空间和资源。

多线程的特点包括：

- 更高的效率：通过多线程的方式并发执行任务，可以极大地提高程序的效率。

- 更好的交互性：多线程可以使程序的界面更加平滑，响应更加灵敏，用户体验更加友好。

- 更高的复杂性：多线程会增加程序的复杂性和难度，因为多个线程之间需要进行同步和协调。

2. 单线程与多线程性能差异以及多线程的优势

单线程只能依次执行代码，而多线程可以同时执行多个任务，因此多线程程序的执行速度相对更快。多线程的优势在于：

- 更高的效率：并发执行可以同时完成多个任务，从而提高程序的执行效率。

- 更好的响应时间：多线程可以使程序的响应时间更突出，例如UI界面的反应速度更快。

- 更高的资源利用率：多线程可以更好地利用计算机资源。

- 更好的模块化设计：通过合理的线程设计，程序可以更好地模块化，易于维护和扩展。

3. 多线程安全问题

当多个线程共同访问一份数据时，如果没有进行同步保护或者设计不当，就会产生线程安全问题。线程安全问题的原因主要包括以下几点：

- 竞争条件：线程之间存在共享数据，而多个线程同时操作可能会导致数据冲突。

- 死锁：多个线程在相互等待某个资源的释放，导致程序无法继续执行。

- 访问权限：线程没有获得访问某些资源的合法权限，却试图访问这些资源。

线程安全问题的影响也很大，可能会导致程序崩溃或者数据错误。为了保证线程安全，可以采取以下预防措施：

- 同步访问：通过锁或者信号量等方式，保证只有一个线程访问共享资源。

- 线程安全数据结构：多个线程之间可以使用这样的数据结构，这些数据结构经过设计，能够保证并发线程的安全访问。

- 消息队列：多线程之间通过消息队列的方式进行数据交换，不直接进行资源共享。

4. 调度方式

操作系统负责调度新创建的线程，以便让多个线程可以同时运行。操作系统的调度方式有两种：抢先式调度和协同式调度。

抢先式调度会将CPU的控制权交出给优先级最高的线程，优先级较低的线程需要等待优先级高的线程执行完毕后才能拥有CPU的控制权。这种调度方式可以更好地保证线程的优先级和公平性，但可能会导致其他线程饥饿。

协同式调度则是依靠线程主动释放CPU的控制权，在某个线程占用CPU的时间到达一定阈值之后，线程会强制退出，将CPU控制权交给其他线程。这种调度方式能够保证所有线程能够得到CPU的执行时间，但可能导致线程之间互相等待的情况。

5. 性质：协同和竞争

多线程的性质可以分为协同和竞争两个方面。

协同性质指的是在多个线程之间协同工作，共同完成某个任务。协同性质是线程并发最基本的性质，通常应用于异步编程、事件处理、图像处理等方面。在协同性质的情况下，线程之间是相互合作的，彼此之间没有竞争关系。

竞争性质指的是在多个线程之间竞争执行某个任务。当多个线程同时访问共享资源时，就可能会出现竞争性问题。在竞争性质的情况下，线程之间相互竞争，彼此之间可能会引起冲突和竞争，因此需要通过锁、信号量等方式来保证线程安全。

3. 多进程的定义、原理和特点

多进程是指在同一个程序中同时运行多个进程，每个进程都拥有自己的独立地址空间和资源，它们之间不能共享内存和资源。多进程的原理是通过操作系统的调度机制，来实现多个进程的并发执行。

多进程的特点包括：

- 更好的可靠性：由于每个进程都拥有独立的地址空间和资源，所以不会因为其中的一个进程崩溃而影响其他进程的执行。

- 更好的安全性：多进程可以在不同的进程中运行敏感的操作，保证程序的安全性。

- 更好的稳定性：多进程可以提高程序的稳定性，因为不同的进程可以独立处理不同的任务。

- 更好的扩展性：通过多进程的方式，程序可以更好地进行分布式处理，易于扩展和升级。

2. 单进程与多进程性能差异以及多进程的优势

单进程只能依次执行代码，而多进程可以同时执行多个任务，因此多进程程序的执行速度相对更快。多进程的优势在于：

- 更高的效率：并发执行可以同时完成多个任务，从而提高程序的执行效率。

- 更好的资源利用率：多进程可以更好地利用计算机资源，因为每个进程都拥有独立的地址空间和资源。

- 更好的可靠性：每个进程都是独立的，即使其中的一个进程崩溃，也不会影响其他进程的执行。

- 更好的安全性：多进程可以在不同的进程中运行敏感的操作，保证程序的安全性。

3. 多进程安全问题

不同的进程之间无法直接共享内存和资源，因此多进程中的安全问题主要体现在进程间通信和资源分配上。常见的多进程安全问题包括如下几点：

- 竞态条件：多个进程同时访问和操作同一个资源，可能会导致数据的错乱、不一致性或丢失。

- 死锁：不同进程之间互相等待某个资源的释放，导致程序无法继续执行。

- 进程调度问题：不同进程之间需要进行高效的调度，否则会影响程序的执行效率。

为了保证多进程的安全性，可以采取以下预防措施：

- 进程通信：通过进程间通信的方式，实现进程之间的数据交换和资源分配。

- 进程间互斥：通过锁或者信号量等方式实现进程间的互斥访问，避免出现竞态条件。

- 进程调度优化：通过合理的进程调度机制，使不同的进程之间能够高效地利用计算机资源，提高程序的执行效率。

4. 进程通信

进程间通信需要借助于操作系统提供的机制，例如消息队列、管道、共享内存和信号量等。常用的进程通信机制如下：

- 消息队列：多个进程通过消息队列交换数据，实现进程间的通信。

- 共享内存：多个进程可以访问共享内存，实现进程之间的数据共享。

- 信号量：多个进程之间可以使用信号量机制实现同步访问共享资源，保证线程安全。

- 管道：管道是一种特殊的文件，可以用来实现进程间的通信。

以上进程通信机制都有各自的优缺点，应根据实际情况选择适合的进程通信机制。

总之，多进程可以提高程序的效率和安全性，但同时也带来了调度、通信和安全等方面的问题。在实际开发中，应选择合适的处理方式来解决这些问题，以便实现高效、安全、稳定的程序。

4.多线程和多进程是两种实现并发编程的方式

区别：

1. 进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是进程中执行的基本单位。一个进程可以包含多个线程。

2. 进程之间的通信需要借助操作系统提供的 IPC（Inter-Process Communication）机制，而线程可以通过共享内存等方式直接访问同一进程中的数据。

3. 进程之间的切换开销较大，因为切换进程需要保存和恢复该进程的上下文信息，而线程间的切换仅需要保存和恢复线程的上下文信息即可。

联系：

多线程和多进程都可以实现并发编程，提高程序的效率和资源利用率。在需要处理多个任务并行执行时，它们都可以发挥作用。

相似之处：

1. 都可以实现多任务并行执行。

2. 都需要考虑并发访问共享资源时的线程安全问题。

3. 都需要考虑在多任务之间的上下文切换。

不同点：

1. 进程间通信需要特殊机制，如管道，消息队列等。线程间共享内存，直接访问共享数据。

2. 进程切换时保护当前进程信息，线程切换仅需保存线程上下文信息。

3. 进程间资源互不影响，内存，文件句柄等。线程互相之间会影响，

4. 进程是资源分配单位，线程是执行单位。

5. 进程相互之间独立，线程不独立。

优缺点：

多进程的优点是采用独立进程，避免了进程直接相互干扰，容错性较好，易于调试和维护；缺点是进程不好共享资源，需要考虑进程间通信的问题，而且进程的切换代价比较大。

多线程的优点是在同一进程内，各个线程可以共享资源，可以实现进程之间的数据交换，切换速度比进程快；缺点是不够健壮，各个线程容易相互干扰，同时也会面临死锁等问题。

选择适当的场合：

1. 当要处理多个任务之间相互独立时，或者需要完成的任务需要使用到多种资源时，应该使用多进程实现。

2. 当要处理多个任务共享数据，且任务处理独立的场景可以使用多线程实现。此外，对于涉及到I/O等操作的场景，多线程也更为合适，因为多线程在I/O等操作中的切换时间较短。