进程:资源分配的基本单位
进程 = 一个正在运行的程序 + 它独占的资源。操作系统给每个进程分配:
- 独立的虚拟地址空间:进程 A 绝对读不到进程 B 的内存(隔离是安全的基石);
- 文件描述符、信号处理、IPC 通道等资源;
- 一份 PCB(进程控制块)记录它的状态。
进程之间通信必须走操作系统提供的通道(管道、共享内存、Socket),没有共享内存的默认访问权 —— 这就是「浏览器崩溃不会拖垮整个系统」「一个服务 OOM 不影响同机其他服务」的原因。
进程与线程
用单核调度动画理解进程与线程:地址空间隔离、线程共享堆与私有栈、时间片切换的上下文保存,以及竞态条件为什么会发生。
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本教程目标: 理解进程 = 资源分配单位(独立地址空间),线程 = 调度单位(共享地址空间);掌握单核时间片轮转与上下文切换保存/恢复的内容;通过动画理解线程共享堆数据:一个线程的写入对另一个线程立即可见;亲眼看到竞态条件(丢失更新)如何发生,以及加锁为什么有效。
图文正文ARTICLE
即使不播放动画,也可以通过以下内容理解本教程的知识点。
线程:调度的基本单位
线程 = 进程内的一条执行流。同一个进程可以有多个线程,它们:
- 共享:进程的地址空间 —— 堆上的对象、全局变量、打开的文件;
- 私有:自己的栈(局部变量)、寄存器上下文、程序计数器。
「线程私有栈 + 共享堆」这个组合解释了大量工程现象:局部变量天然线程安全(在私有栈上);堆上的共享数据不加保护就会被并发改坏(竞态条件);Tomcat 的 Servlet 是单实例多线程,所以不能用实例字段存请求状态。
时间片轮转与上下文切换
单核 CPU 同一时刻只能执行一条指令流,「并发」是靠高速切换制造的假象:
- 线程 A 用完时间片(如 10ms)或被阻塞(等 IO/锁);
- 操作系统执行上下文切换:把 A 的寄存器、PC 保存到它的 TCB,恢复 B 之前保存的寄存器与 PC;
- CPU 从 B 上次暂停的位置继续执行。
切换本身有成本(微秒级 + 缓存污染),所以:线程不是越多越好 —— 大量线程互相抢占,CPU 时间反而耗在切换上(线程池的存在意义)。
竞态条件:两条执行流踩同一块内存
经典的丢失更新:两个线程同时执行 counter = counter + 1。这条语句在 CPU 层面是三步:读内存 → 加 1 → 写回内存。
如果线程 A 读完(counter=5)还没写回,线程 B 也读了(5)、加了、写回(6);然后 A 才写回它的结果(6)—— 两次自增,结果只加了一次。
根因:「读-改-写」不是原子操作。修复思路:加锁(互斥量让三步变成临界区,同一时刻只有一个线程能进)、或使用原子的 CPU 指令(如 compare-and-swap)。动画里的挑战模式可以亲手制造这个丢失更新。