进程与线程开销对比：从系统切换到同步通信

"系统开销-ppt_操作系统" 在操作系统中，系统开销是指执行特定操作（如进程或线程的创建、切换等）时，消耗的计算资源和时间。这部分内容主要涉及到进程管理和线程管理，特别是进程与线程在创建、撤销以及切换过程中的性能差异。 首先，进程的创建和撤销相比于线程来说，具有更大的系统开销。这是因为进程拥有独立的内存空间和资源，创建时需要分配和初始化这些资源，撤销时则需要释放和回收。而线程共享同一进程的地址空间，创建和撤销只需要维护少量的线程上下文，包括栈空间和寄存器状态，这使得线程的创建和撤销开销相对较小。 在进程切换过程中，操作系统需要保存当前进程的CPU环境，包括寄存器状态、内存映射等，然后加载即将执行的进程的CPU环境。这个过程涉及到了存储管理，开销较大。相比之下，线程切换只需保存和恢复少量寄存器状态，不涉及内存管理，因此开销较小，切换速度更快。 进程间的同步和通信通常较为复杂，因为它们各自拥有独立的地址空间，可能需要借助于消息传递、管道、共享内存等机制。而同一进程内的线程共享同一地址空间，可以非常便捷地通过内存直接通信，减少了同步和通信的开销。 进程管理和线程管理是操作系统核心功能的一部分，它们影响着系统的并发性能和资源利用率。在多任务环境下，线程常被用于提高系统的响应性和效率，因为线程切换成本低，适合于执行短时间的任务。而进程则更适用于隔离和保护资源，确保各个任务的独立性。 进程的基本概念包括前趋图、顺序执行、并发执行等特性。前趋图是一种描述任务间依赖关系的模型，没有循环的前趋图可以实现顺序执行，每个节点代表一个任务，有向边表示任务间的依赖关系。程序的顺序执行意味着指令严格按照编程时设定的顺序进行，具有顺序性、封闭性和可再现性。而在多道程序系统中，多个程序可以并发执行，提高了系统资源的利用率。 进程控制块（PCB）是操作系统用来记录和控制进程状态的关键数据结构，包含了进程的标识信息、资源分配情况、状态信息以及调度信息等。进程的生命周期包括就绪、运行和阻塞三种基本状态，以及创建和终止两个特殊阶段。 进程同步是控制多个进程协调执行的技术，经典的进程同步问题包括哲学家就餐问题、生产者消费者问题等，解决这些问题通常采用信号量、管程等机制。管程提供了一种高级的同步原语，能够更好地封装和管理资源，避免了死锁等问题的发生。 进程通信是进程间交换信息的方式，包括直接通信和间接通信，涉及多种通信机制。线程作为轻量级进程，它的引入简化了并发执行的管理和通信，降低了系统开销，提升了系统效率。 系统开销主要体现在进程与线程的创建、撤销和切换上，线程在这方面具有明显优势，同时，进程和线程的管理、同步和通信也是操作系统设计中的重要课题。