操作系统可以同时运行多个任务。打个比方，你一边在用浏览器上网，一边在听MP3，一边在用Word赶作业，这就是多任务，至少同时有3个任务正在运行。还有很多任务悄悄地在后台同时运行着，只是桌面上没有显示而已。
操作系统轮流让各个任务交替执行，任务1执行0.01秒，切换到任务2，任务2执行0.01秒，再切换到任务3，执行0.01秒……这样反复执行下去。表面上看，每个任务都是交替执行的，但是，由于CPU的执行速度实在是太快了，我们感觉就像所有任务都在同时执行一样。真正的并行执行多任务只能在多核CPU上实现，但是，由于任务数量远远多于CPU的核心数量，所以，操作系统也会自动把很多任务轮流调度到每个核心上执行。
对于操作系统来说，一个任务就是一个进程（Process），比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就启动了一个记事本进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程，打开一个Word就启动了一个Word进程。
有些进程还不止同时干一件事，比如Word，它可以同时进行打字、拼写检查、打印等事情。在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。
由于每个进程至少要干一件事，所以，一个进程至少有一个线程。当然，像Word这种复杂的进程可以有多个线程，多个线程可以同时执行，多线程的执行方式和多进程是一样的，也是由操作系统在多个线程之间快速切换，让每个线程都短暂地交替运行，看起来就像同时执行一样。当然，真正地同时执行多线程需要多核CPU才可能实现。
一、进程
1.1 定义
狭义定义：进程是计算机中正在运行的程序的实例（an instance of a computer program that is being executed）。
程序本身只是指令的集合，进程才是程序（那些指令）的真正运行。用户下达运行程序的命令后，就会产生进程。同一程序可产生多个进程（一对多关系），以允许同时有多位用户运行同一程序，却不会相互冲突。进程需要一些资源才能完成工作，比如CPU使用时间、存储器、文件以及I/O设备，且为依序逐一进行，也就是任何时间内仅能运行一项进程。
1.2 基本状态
通常进程有如下5种状态，其中前三种是进程的基本状态。
- 1）运行状态（执行窗台）：进程正在处理器上运行。在单处理器环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。
- 2）就绪状态：进程已处于准备运行的状态，即进程获得了除处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器即可运行。
- 3）阻塞状态：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行，如等待某资源为可用（不包括处理器）或等待输入/输出完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
- 4）创建状态：进程正在被创建，尚未转到就绪状态。
- 5）结束状态：进程正从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。
进程的三个基本状态之间只可以相互转换的，如图所示。具体的说：
- 当一个就绪状态获得处理机时，其状态由就绪变为执行；
- 当一个运行进程被剥夺处理机时，如用完系统分给它的时间片、出现更高优先级别的其他进程，其状态由运行变为就绪；
- 当一个运行进程因某事件受阻时，如所申请资源被占用、启动I/O传输未完成，其状态由执行变为阻塞；
- 当所等待事件发生时，如得到申请资源、I/O传输完成，其状态由阻塞变为就绪
1.3 进程与程序的区别
- 进程是程序及其数据在计算机上的一次运行活动，是一个动态的概念。进程的运行实体是程序、离开程序的进程没有存在的意义。从静态角度看，进程是由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成的。而程序时一组有序的指令集合，是一种静态的概念。
- 进程是程序的一次执行过程，它是动态地创建和消亡的，具有一定的生命期，是暂时存在的；而程序则是一组代码的集合，它是永久存在的，可长期保存。
- 一个进程可以执行一个或几个程序，一个程序也可以构成多个进程。进程可创建进程，而程序不可能形成新的程序。
二、线程
2.1 定义
线程，有时被称为轻量级进程（Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID、当前指令指针（PC）、寄存器集合和堆栈（stack）组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的资源。
线程共享的进程环境包括：进程代码段、进程的共有数据（如全局变量，利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通信）、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。
线程拥有这许多共性的同时，还拥有自己的个性。有了这些个性，线程才能够实现并发性。这些个性包括：
- 线程ID：每个线程都有自己的线程ID，这个ID在本进程中是唯一的。进程用此来标识线程；
- 寄存器的值：由于线程间是并发运行的，每个线程有自己不同的运行线索，当从一个线程切换到另一个线程上时，必须将原有线程的寄存器集合的状态进行保存，以便将来该线程在被重新切换时能得以恢复。
- 线程的堆栈（Stack）：堆栈是保证线程独立运行所必须的。线程函数可以调用函数，而被调用函数中又是可以层层嵌套的，所以线程必须拥有自己的函数堆栈，使得函数调用可以正常执行，不受其他线程的影响。在一个进程的线程共享堆区（heap）。
- 错误返回码
- 线程的信号屏蔽码
- 线程的优先级
一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程的多个线程之间可以并发执行。由于县城之间的相互制约，致使线程在运行中呈现间断性。
线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。每一个程序都至少有一个线程，若程序只有一个线程，那就是程序本身。
线程是程序中一个单一的顺序控制流程。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。
引入线程后，进程的内涵发生了变化，进程只作为除CPU以外系统资源的分配单元，线程则作为处理器的分配单元。在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，将会引起进程的切换。
1.2 进程与线程的区别
- 调度：在传统操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。引入线程后，线程是独立调度的基本单位，进程是拥有资源的基本单位。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行的线程切换，则会引起进程切换。
- 拥有资源：不论是传统的还是引入线程的操作系统，进程都是拥有资源的基本单位，线程不拥有资源（也有一点必不可少的资源），但线程可以共享其隶属进程的系统资源。
- 并发性：在引入线程的操作系统中，不仅进程可以并发执行，而且同一进程内的多个线程也可以并发执行，从而使操作系统具有具有更好的并发性，大大提高了系统的吞吐量。
- 系统开销：创建和撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等等，因此操作系统所付出的开销远大于创建或撤销线程的开销。类似地，在进程切换时，涉及当前执行进程CPU环境的保存以及新调度的进程CPU环境的设置；而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，因此开销很小。另外，由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间，因此这些线程之间的同步与通信比较容易实现，甚至无需操作系统的干预。
- 地址空间和其他资源（如打开的文件）：进程的地址空间之间相互独立，同一进程的各线程间共享进程的资源，某进程内的线程对于其他进程不可见。
- 通信方面：进程间通信需要借助操作系统，而线程间可以直接读、写进程数据段（如全局变量）来进行通信。
三、进程通信与进程同步
多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源一次为能为一个进程使用，我们把一次仅允许一个进程使用的资源成为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如打印机等。
对临界资源的访问，必须互斥的进行，在每个进程中，访问临界资源的那段代码成为临界区（Critical Section）。
进程通信与同步有如下一些目的。
- 数据传输
- 共享数据
- 通知数据
- 资源共享
- 进程控制
Linux进程间通信的几种主要手段简介：
- 管道（Pipe）及有名管道（named Pipe）
- 信号（Signal）
- Message（消息队列）
- 共享内存（Shared Memory）
- 信号量
- 套接口
Linux线程间通信：互斥体（互斥量）、信号量、条件变量
Windows进程间通信：管道、共享内存、消息队列、信号量、socket
windows线程间通信：临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（信号灯）（Semaphore）、事件（Event）。
四、调度算法
调度的基本准则包括CPU利用率、系统吞吐量、周转时间、等待时间、响应时间等。
- 系统吞吐量：表示单位时间内CPU完成作业的数量
- 周转时间：作业完成时刻减去作业到达的时刻
- 等待时间：进程处于等处理器状态的时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
- 响应时间：从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间。
典型的调度算法包括：
实时系统中：FIFO(First Input First Output，先进先出算法)，SJF(Shortest Job First，最短作业优先算法)，SRTF(Shortest Remaining Time First，最短剩余时间优先算法）。
交互式系统中：RR(Round Robin，时间片轮转算法)，HPF(Highest Priority First，最高优先级算法)，多级队列，最短进程优先，保证调度，彩票调度，公平分享调度。
多级反馈队列调度算法。其中SJF的平均等待时间、平均周转时间最少。
五、死锁
所谓死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。现实生活中简单的例子：交通阻塞，两股相向而行的车流都想通过已被对方占用的道路，结果双方都不能前进。
死锁产生的原因：系统资源的竞争、进程推进顺序非法
死锁产生的必要条件：产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要其中任一条件不满足，死锁就不会发生。
- 互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排他性控制，即在一段时间内某资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待；
- 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他资源强行夺走，即只能由获得该资源的进程自己来释放。
- 请求和保持条件：又称为部分分配条件。进程每次申请它所需要的一部分资源，在等待新资源的同时，进程继续占有已分配到的资源。
- 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每个进程已获得的资源同时被链中下一个进程所请求。即存在一个处于等待状态的进程集合$\{P_1,P_2,….P_n\}$其中$P_i$等待的资源被$P_{i+1}(i=0,1,2,…n-1)$占有，$P_n$等待资源被$P_0$占有。
死锁处理策略
- 预防死锁：设置某些限制条件，破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个
- 避免死锁：在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态。银行家算法是著名的死锁避免算法。
- 死锁的检测及解除：无需采取任何限制性措施，允许进程在运行过程中发生死锁，通过系统的检测机制及时地检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。死锁可利用资源分配图来描述。死锁的解除主要方法：资源剥夺法、撤销进程法、进程回退法
