01 · 进程与线程：谁在跑，跑的时候带着什么

这一篇是 OS 模块的地基。后面的内存、锁、IO，主体都是这里的"进程/线程"。

一句话本质

进程 = 一个正在运行的程序 + 它独占的一套资源（地址空间、文件表）。线程 = 进程内部真正被 CPU 执行的那条流水线。

生活类比：餐厅里的订单

• 程序（存在硬盘上的 exe）：菜谱。放在那里不动，不会做菜。
• 进程：一桌客人下的单。有独立的食材（内存）、独立的进度（执行到哪一步）、独立的账单（资源）。
• 线程：这一桌订单里的几道菜。共用同一份食材和同一个操作台，但可以几条流水线同时做。
• PCB（进程控制块）：这张订单的小票。内核靠它知道"这桌做到哪了、食材放在哪"。
• 上下文切换：厨师从做这桌换到做那桌。得先把当前这桌的进度记下来（保存寄存器），再把那桌的进度恢复（恢复寄存器）。

关键差别一句话：换一桌客人（换进程）要清空整个操作台；同一桌换一道菜（换线程）不用。

核心机制

一、进程的状态机

一个进程从创建到消亡，只会走下面这几条边：

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五个状态之间只有这 6 条合法转换。面试最爱追问「阻塞能不能直接到运行」——不能，事件到达后只能先回就绪队列，等调度器再选一次。

三个必考点：

1. 阻塞 > 就绪，不能直接 > 运行。因为事件到达时 CPU 可能正忙，必须重新排队等调度。这是最高频的细节坑。
2. 就绪和阻塞的区别：就绪是"只差 CPU"，阻塞是"CPU 给我也没用，我在等别的东西"。
3. 运行 > 就绪是时间片用完（被动），运行 > 阻塞是自己发起 IO（主动）。

二、PCB 里存了什么

+-- PID / 父进程 PID
+-- 进程状态（就绪 / 运行 / 阻塞）
+-- 程序计数器 PC（下一条指令）
+-- 寄存器现场（通用寄存器、栈指针）
+-- 内存管理信息（页表基址）
+-- 打开的文件表
+-- 优先级 / 时间片 / 统计信息

PCB 是进程存在的唯一标志。所谓"创建进程"，内核动作就是"分配并初始化一个 PCB"。

三、线程共享什么、独占什么（必背）

独占（每个线程一份）	共享（同进程内所有线程共用）
程序计数器 PC	代码段
寄存器现场	全局变量 / 静态变量
栈（函数调用、局部变量）	堆（new 出来的对象）
线程 ID、状态	打开的文件描述符
错误码 errno	信号处理器

一句话记忆：栈是私有的，堆是共享的。所以"局部变量天然线程安全，成员变量不是"——这不是语言规定，是内存布局决定的。

四、上下文切换到底切了什么

进程 A 在跑
   v 时间片用完 / 主动让出
1. 保存 A 的寄存器到 A 的 PCB          < 纯 CPU 操作，很快
2. 切换内核栈
3. 加载 B 的 PCB 里的寄存器
4. 切换页表（CR3 寄存器）              < 贵！会刷 TLB
5. 刷新流水线 / 分支预测器             < 贵！
   v
进程 B 开始跑

进程切换 vs 线程切换的差别就在第 4 步：同进程内的线程共享页表，不用切，所以线程切换比进程切换便宜得多。这是"线程比进程轻量"的真正原因，不是"线程小"这种含糊说法。

五、协程：比线程更轻

线程的切换由内核决定（抢占式），协程的切换由程序自己决定（协作式）。

线程：内核说"你该下了" > 用户程序无法拒绝 > 有内核开销
协程：程序说"我要等 IO 了" > 主动让出 > 纯用户态切换，几十纳秒

代价：协程不能利用多核（一个线程内的协程是串行的），而且一个协程如果死循环不让出，整个线程都卡住。

为什么这么设计

为什么要"进程"这层隔离？

反事实：如果没有进程，所有程序共享一个地址空间。

• A 程序写地址 0x1000，B 程序也写 0x1000 > 互相覆盖 > A 崩了会带崩 B。
• A 程序有个野指针，能直接改掉 B 的数据库连接 > 一个 bug 变成安全事故。
• 一个程序内存泄漏，把整台机器吃光 > 所有程序一起死。

进程通过独立的地址空间（02 篇的虚拟内存）解决这一切：每个进程都以为自己独占 0x0 到 0xFFFFFFFF。

为什么进程里还要有线程？

反事实：如果只有进程，没有线程。

• 一个 Web 服务器要同时处理 1000 个请求 > 得开 1000 个进程 > 每个进程一套独立地址空间 > 内存爆炸，切换开销爆炸。
• 一个进程内想"边算边响应用户点击" > 做不到，只能等算完。

线程让同一份资源被多条流水线共用：1000 个请求共享同一份代码和缓存，切换还便宜。

为什么要协程？

反事实：如果用线程做高并发。

• 每个线程默认栈 1MB，1 万个线程 = 10GB 内存，直接崩。
• 线程切换要走内核，一次几微秒，1 万线程频繁切换，CPU 全花在切换上。

协程把栈做到几 KB 且按需增长，切换在用户态完成。这就是 Go 的 goroutine 能做到百万级并发的原因。

面试怎么问

Q：进程和线程的区别？ 别只答"进程是资源分配单位，线程是调度单位"——这是第一层，人人都会。要接上：

更本质的差别在隔离与开销：进程有独立地址空间，所以隔离强、切换贵（要换页表、刷 TLB）；线程共享地址空间，隔离弱（一个线程野指针能搞崩整个进程）、切换便宜。

Q：一个进程最多能创建多少线程？

理论上受三样限制：① 虚拟地址空间（每线程栈默认 1~8MB）；② 内核参数（/proc/sys/kernel/threads-max）；③ 系统内存。实际瓶颈通常是内存，不是"数量上限"。

Q：线程越多越好吗？

不是。线程数超过 CPU 核数后，多出来的线程只会增加切换开销和锁竞争。CPU 密集型任务，线程数 ≈ 核数；IO 密集型可以多一些（因为线程大部分时间在阻塞）。

Q：fork 之后父子进程共享什么？

共享代码段（只读），不共享数据。但 Linux 用 写时复制（COW）：fork 时父子页表指向同一批物理页，且标记为只读；任一方写入时触发缺页，内核才真正复制那一页。 所以 fork 很快，且"读多写少"的场景几乎不花额外内存。

追问链：

进程和线程区别？
  > 线程共享什么？（栈私有、堆共享）
    > 为什么栈私有？（每个线程要有独立的函数调用链）
      > 那局部变量一定线程安全吗？（不一定，如果它是指向堆的引用/被取地址传出去）
        > 那怎么保证共享数据安全？（锁 > 03 篇）
          > 锁多了会怎样？（死锁 > 03 篇；性能下降 > 锁粒度）

和其他知识的连接

• < 来自 操作系统导读：一台机器内部在忙什么：进程是 OS 五篇的主体
• > 影响 虚拟内存：让每个程序都以为自己独占一台机器：每个进程一套独立页表，是"进程隔离"的实现手段
• > 影响 调度与并发同步：CPU 分给谁，共享数据谁先动：线程是调度的基本单位；共享堆导致需要锁
• > 影响 IO 模型与零拷贝：等设备的时候，CPU 在干什么：进程发起 IO 后进入阻塞态，就是本篇状态机里的那条边
• > 影响 内核态与系统调用：用户程序怎么"申请"做事：创建进程（fork）、创建线程（clone）都是系统调用
• > 影响 锁与死锁：数据库连接池的线程模型，本质是这里的权衡

自测 3 问

Q1：为什么"阻塞 > 就绪"不能直接变成"运行"？

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因为 CPU 可能正被别的进程占着。IO 完成只是"这个进程具备运行条件了"，但能不能立刻上 CPU，得由调度器决定。

如果直接跳到运行，就相当于"事件一到就抢占 CPU"，会破坏调度策略（比如优先级、公平性），也容易让刚唤醒的进程立刻又被打断。

所以标准路径是：阻塞 > 就绪 > （排队）> 运行。

Q2：进程切换比线程切换贵在哪一步？

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贵在切换页表。

线程共享同一套页表，切换时只要换寄存器现场；进程有各自的页表，切换要改 CR3 寄存器指向新页表，这会导致 TLB（地址翻译缓存）失效——之前缓存的"虚拟页>物理页"映射全作废，接下来一段时间每次访存都要重新查页表，程序明显变慢。

此外流水线和分支预测器也要冲刷。所以进程切换的开销通常是线程切换的几倍到几十倍。

Q3：局部变量一定线程安全吗？

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不一定，这里有两个坑：

1. 如果局部变量是引用类型，它本身在栈上，但指向的对象在堆上。多个线程拿到同一个引用，就共享了那个对象。
2. 如果局部变量的地址被传出去（比如取地址赋给全局变量、或者传给另一个线程），那它就不再"私有"了。

所以准确说法是：栈上的值本身是私有的，但栈上的引用可能指向共享数据。

类比失效处 / 易错点

• "一桌订单"会让人以为进程之间有共享。实际上进程地址空间完全隔离，共享必须显式申请（共享内存 shm）。
• "换菜不用清操作台"不完全对。线程切换虽然不换页表，但寄存器现场必须换，而且如果两个线程跑在不同核上，还会涉及缓存行的迁移（伪共享问题）。
• "线程比进程轻量"不等于"线程可以无限开"。默认栈 1MB，1 万线程就是 10GB 虚拟地址空间，32 位系统直接不够用。
• fork 之后子进程从哪开始执行？ 不是从头，是从 fork 返回处。父子进程的 fork 返回值不同（父得到子 PID，子得到 0），这是区分两者的标准做法。
• 僵尸进程 vs 孤儿进程：僵尸是子进程死了但父进程没 wait（占着 PCB）；孤儿是父进程先死，子进程被 init/systemd 收养。两者方向相反，别混。

✅ 验收清单

• 能默画进程 5 状态转换图，并说清每条箭头的触发条件（尤其"阻塞只能到就绪"）
• 能说出 PCB 里至少 5 项内容，并解释"为什么 PCB 是进程存在的唯一标志"
• 能不看资料列出线程独占的 3 样、共享的 3 样，并说出"栈私有堆共享"的由来
• 能解释进程切换比线程切换贵在哪一步（要说出页表和 TLB，不能只说"开销大"）
• 能用"反事实"讲清：没有进程隔离会出什么事、没有线程会出什么事
• 能说出 fork 的写时复制机制，以及它为什么让 fork 很快
• 合上书，用自己的话讲 3 分钟，中途不卡壳