进程与线程的资源

我们常说，在操作系统中，进程是资源分配的基本单位，它代表一个程序独立的执行环境，这通常包含了进程的地址空间、系统资源和执行上下文。而线程，它是进程内的执行单元，是操作系统调度的最小单位。线程通常共享所属进程的资源，但它也拥有一些独立的资源。当然，这里的线程主要指内核线程，用户态线程（如协程）并不被操作系统感知，但核心概念类似。另外，线程依赖于进程，不能独立存在。线程共享进程的大部分资源，但有自己的执行上下文。

简单理解，进程是操作系统为不同运行中的程序划分资源的一种手段，而线程是操作系统的基本调度单位，是并行编程中的核心设计。

按照进程和线程的资源是否可以进行共享的维度，可以作如下分类：

• 进程独占资源：进程独立拥有的资源，不与其他进程共享。
• 进程共享资源：通过特定机制（如共享内存、管道、消息队列等）在多个进程间共享的资源。
• 线程独有资源：每个线程独立的资源，用于独立执行。
• 线程共享资源：线程与所属进程的其他线程共享的资源（因为线程是进程的子单元）。

进程使用的资源

进程作为资源分配的基本单位，拥有以下关键资源：

资源类型	英文名称	说明
地址空间	Memory Address Space	包括代码段（text）、数据段（data）、堆（heap）和栈（stack）。这是进程隔离的核心，确保不同进程的内存互不干扰
文件描述符表	File Descriptors	打开的文件、套接字、管道等I/O资源的索引表
信号处理程序	Signal Handlers	定义进程如何响应各种信号（如SIGINT、SIGTERM等）
进程标识	Process ID (PID)	进程的唯一标识符，包括PID和父进程ID（PPID）
用户和组标识	User ID, Group ID	用于系统权限控制和资源访问管理
环境变量	Environment Variables	如PATH、HOME等，影响进程的运行环境
工作目录	Current Working Directory	进程执行时的当前目录路径
系统资源句柄	System Resource Handles	如设备、进程间通信(IPC)机制（共享内存、信号量、消息队列）等的引用
虚拟内存映射	Virtual Memory Mapping	包括页表和内存映射信息，用于内存管理和访问控制
CPU时间和调度信息	CPU Time and Scheduling Info	进程整体的优先级、调度策略和CPU使用统计

进程的资源分类如下：

资源类别	独占资源（每个进程单独拥有）	共享资源（可由多个进程共享）	说明
内存	- 虚拟地址空间 - 代码段、数据段、堆、栈	- 共享内存（Shared Memory Segment）	独占内存保证隔离；共享内存是最快的 IPC 方式，需要同步机制
CPU 相关	- 程序计数器（PC） - 寄存器上下文 - 线程栈	- 无（CPU 时间片由调度器分配，不是真正的共享）	CPU 状态独立保存，进程切换时上下文切换
文件/IO	- 文件描述符表（每个进程自己的副本）	- 打开的文件（指向相同 inode 的文件描述符可被不同进程共享） - 管道（Pipe） - 命名管道（FIFO）	文件表项可引用相同底层文件；管道是单向通信机制
操作系统对象	- 进程控制块（PCB） - 信号处理表	- 消息队列 - 信号量（Semaphore） - 套接字（Socket）	PCB 独立；IPC 对象由内核维护，可被多个进程访问
设备	- 独占的设备上下文（如果进程单独占用某个设备）	- 共享设备（多个进程可同时访问打印机、磁盘等，通过驱动和内核仲裁）	内核提供访问仲裁与同步
其他	- 环境变量副本 - 当前工作目录	- 映射文件（Memory-mapped file） - 共享库（Shared Library）	共享库代码段通常可被多个进程同时映射到内存

线程使用的资源

操作系统不会为线程独立分配太多种类的资源，线程作为进程内的一个内部存在，更多的是使用其所在进程拥有的绝大部分资源，进程内的所有线程遵守这个规则，对进程内的资源进行共享使用，这也就是为什么线程间通信比进程间通信更加容易。

但是，我们知道线程是操作系统调度的最小单位，为了完成线程间切换这个动作，线程必须有自己独立的上下文，这样才能保证被中断线程的恢复。

不同线程间的共享资源（与进程及其他线程共享）：

• 地址空间（代码、数据、堆）：所有线程可见，可读写共享变量（需注意同步）；
• 文件描述符表：线程可共享打开的文件；
• 信号处理程序：通常进程级，但某些信号可线程特定；
• 用户/组标识、环境变量、工作目录：线程继承进程的；
• 系统资源句柄：如共享内存；

每个线程用于的独有资源（每个线程独立）：

• 线程标识（Thread ID, TID）；
• 栈（Stack）：用于函数调用和局部变量，防止线程间栈溢出干扰；
• 寄存器上下文（Registers）：包括程序计数器（PC）、栈指针（SP）、通用寄存器，用于线程切换；
• 线程局部存储（Thread-Local Storage, TLS）：如 errno 在多线程中的线程特定副本；
• 调度属性：线程优先级、CPU 亲和性、栈大小等；
• 信号掩码（Signal Mask）：线程可有独立的信号屏蔽设置；
• 错误代码：如 pthread 中的线程特定错误；

总结

下面是进程和线程拥有的资源及其共享范围对比：

资源类型	进程（独立拥有）	线程（共享或独有）	说明
地址空间	独立地址空间	共享进程的地址空间	进程隔离，线程共享导致潜在竞争
栈	进程主线程的栈	每个线程独立栈	线程栈用于本地执行上下文
文件描述符	独立表	共享进程的表	线程可并发读写同一文件
信号处理	进程级处理程序	共享，但可线程特定掩码	大多数信号发给进程
标识符	PID、PPID	TID	TID 在进程内唯一
用户/组ID、环境变量	独立	共享	权限和环境一致
工作目录	独立	共享	chdir() 影响整个进程
寄存器上下文	进程级（主线程）	每个线程独立	用于上下文切换
线程局部存储 (TLS)	不适用	每个线程独立	存储线程私有数据
调度属性	进程优先级	线程优先级（可独立）	线程可有不同调度策略