从硬件角度理解进程与线程

进程与线程是现代计算机系统的重要概念，下面摘录两者的定义：

进程：是执行中一段程序，即一旦程序被载入到内存中并准备执行，它就是一个进程。进程是表示资源分配的的基本概念，又是调度运行的基本单位，是系统中的并发执行的单位。

线程：单个进程中执行中每个任务就是一个线程。线程是进程中执行运算的最小单位。

对于两个的定义相比大家已经耳熟能详，然而能讲出两个两者的定义，就真的已经深入理解了进程（线程）是如何工作的吗？本文从硬件、操作系统两个角度来深入理解一下进程（线程），进程（线程）究竟是什么东西？他们究竟是怎么被操作系统调度的，需要哪些软硬件的协同工作？

为了能够理解线程，我们先来看看程序是如何在CPU上执行的。CPU内部主要包含三个部分：

按照冯诺依曼架构系统设计，程序应该按照一定的顺序串行执行。CPU就是通过PC指针不断累加，实现程序的串行执行。正常情况下PC指针的值每个cycle会自动加4，由于每个指令占4个字节，那么CPU在执行完当前指令后，就会自动执行下一个指令。

正常情况下从给系统加电， PC就不断累加，CPU按照串行顺序一致执行下去。有两个情况PC的值会发生“突变”：

系统发生中断，比如CPU的某一条引脚的电瓶为高表示发生了“突变”，系统比如对这个中断做出反应。中断发出者除了发送高电平到CPU相关引脚，还需要提供一个中断向量号，通知CPU发生了什么类型的中断。CPU根据中断向量号，找到相应的中断处理程序并处理中断。

既然CPU默认是按照程序串行执行，那么怎么去实现多线程并发执行呢？核心思想是：只要保存下当前程序执行现场，包括PC值、各寄存器值，那么不管CPU现在执行其他什么程序，都能恢复到上次程序执行的现场，并按照之前的执行顺序继续执行，就当什么事情也没有发送过一样。

需要做到单核CPU并发，需要涉及到几点：

我们可以定义个数组pTable，把每个线程的执行状态存在里面，就有办法从保存的信息中恢复上次执行的状态，并继续串行执行。说白了，线程也是一个对象结构，里面包含的就是这个线程的唯一标示、当前线程的执行状态等内容。线程间的切换，就是线程上下文的保存与恢复。保存下当前线程的状态，恢复之前暂停的线程的状态并继续执行。调度程序负责恢复执行哪个线程，并一直循环下去。

那么问题来了，加入当前CPU已经在执行某一个线程，如何能够定期切换到调度程序scheduler呢？这时候就需要硬件的支持了，通过硬件的定时器与中断功能，需要实现一个定时中断程序。比如每隔1ms触发一个硬件中断，强迫CPU回到调度程序中去。中断的本质，就是打破PC寄存器累加的节奏，直接让CPU去处理中断相应程序，而不是一直按照既定顺序一致串行执行下去。

我们可以在中断处理程序中，让当前线程主动让出（yeild）CPU控制权，让CPU恢复执行scheduler调度程序。当然当前线程让出CPU控制权，也是一个上下文切换，需要保存当前线程执行状态，并回复scheduler线程状态。从这个角度上讲，操作系统的调度程序其实就是一个普通的线程罢了。当然实现调度程序定时切换的方式有很多中，这里为了便于理解，采用了一种比较简单的方案。