Процессы и потоки

Программа — это пассивный набор кода и данных на диске, а процесс — её исполняемый экземпляр. Операционная система выделяет каждому процессу отдельное адресное пространство (код, данные, куча и стек) и список открытых файлов, а сведения о процессе хранит в блоке управления процессом (PCB). Благодаря этому один процесс не может напрямую изменить память другого, что обеспечивает устойчивость и безопасность системы.

За время жизни процесс проходит несколько состояний: новый, готовый, выполняющийся, ожидающий (например, завершения операции с диском) и завершённый. Время процессора между процессами распределяет планировщик (scheduler); один из простейших алгоритмов — Round Robin, при котором каждому процессу по очереди выделяется короткий квант времени. Передача процессора от одного процесса другому называется переключением контекста (context switch): регистры и PCB сохраняются, а данные нового процесса восстанавливаются, и всё это время полезная работа не выполняется.

Поток (thread) — это единица выполнения внутри процесса. Потоки одного процесса совместно используют адресное пространство и открытые файлы, но у каждого есть собственные стек, регистры и счётчик команд. Поэтому создавать потоки и переключаться между ними дешевле, чем для процессов, а обмен данными проще. На многоядерном процессоре потоки действительно работают параллельно, а на одном ядре выполняются поочерёдно.

Общая память удобна, но опасна: если два потока одновременно изменяют одну переменную, результат начинает зависеть от порядка выполнения — это называется состоянием гонки (race condition). Например, операция counter += 1 на самом деле состоит из трёх шагов: прочитать значение, увеличить его на единицу и записать; если два потока перемешают эти шаги, одно увеличение потеряется. Для защиты применяют средства синхронизации — мьютексы и семафоры, но их неправильное использование приводит к взаимной блокировке (deadlock): каждый поток ждёт ресурс, который удерживает другой.

Главное

• Программа — пассивный код на диске, а процесс — её выполняемый экземпляр со своим адресным пространством.
• Процесс проходит состояния: новый, готовый, выполняющийся, ожидающий и завершённый; переключение контекста требует времени.
• Потоки разделяют память и файлы процесса, но у каждого есть свой стек и регистры.
• Изменение общих данных без синхронизации приводит к состоянию гонки; от него защищают мьютексы и семафоры.
• Неправильная синхронизация может вызвать взаимную блокировку (deadlock).