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你是一名1960年代IBM計(jì)算機(jī)中心的工程師，你每天都在面對一個棘手的問題：如何讓更多用戶能夠使用昂貴的System/360大型機(jī)。

這臺價值數(shù)百萬美元（相當(dāng)于今天的數(shù)千萬美元）的龐然大物，是當(dāng)時最先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備，但它的價格實(shí)在太昂貴了，即使是大型企業(yè)也很難獨(dú)自承擔(dān)。

而且這臺機(jī)器的用戶需要提前好幾天來登記使用時間，每次都只能為單個用戶服務(wù)，所有任務(wù)都在串行執(zhí)行。

當(dāng)某個程序等待磁帶讀取時整個機(jī)器就會處于空閑狀態(tài)，你體驗(yàn)到的是時間和金錢的雙重流逝。

顯然你會想為什么當(dāng)某個程序讀寫外部慢速設(shè)備時讓寶貴的CPU空閑呢？這就好比程序員在等待程序編譯完成時ta還可以去寫第二個需求的代碼啊，必須并行起來。

必須并行起來

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)程序必須具備暫停運(yùn)行以及恢復(fù)運(yùn)行的能力，要想讓程序具備暫停運(yùn)行/恢復(fù)運(yùn)行的能力就必須保存CPU上下文信息。

為此你必須定義一個結(jié)構(gòu)體來保存處理器上下文信息：

structcontext?{
? ??uint32_t?eax, ebx, ecx, edx; ? ??// 通用寄存器
? ??uint32_t?esi, edi; ? ? ? ? ? ? ??// 源/目標(biāo)變址寄存器
? ??uint32_t?esp, ebp; ? ? ? ? ? ? ??// 棧指針和基址指針
? ??uint32_t?eip; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 指令指針
? ??uint32_t?eflags; ? ? ? ? ? ? ? ??// 標(biāo)志寄存器
? ??uint16_t?cs, ds, es, fs, gs, ss;?// 段寄存器
};

每個運(yùn)行起來的任務(wù)都需要這樣一個結(jié)構(gòu)體，當(dāng)任務(wù)需要暫停時就把處理器上下文保存在context結(jié)構(gòu)體中，需要恢復(fù)任務(wù)運(yùn)行時就根據(jù)context中數(shù)據(jù)恢復(fù)處理器狀態(tài)。

現(xiàn)在你就可以同時運(yùn)行多個任務(wù)了，當(dāng)任務(wù)A讀取慢速磁帶時就暫停任務(wù)A的運(yùn)行并把CPU分配給任務(wù)B，這樣你可以充分利用寶貴的機(jī)器資源。

多個程序相互干擾

當(dāng)系統(tǒng)中可以運(yùn)行多個任務(wù)后你發(fā)現(xiàn)了新的問題，那就是多個程序之間會相互干擾，因?yàn)樵谠缙谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，程序被鏈接到固定的內(nèi)存基址，且加載器缺乏重定位能力。當(dāng)多個程序加載到內(nèi)存時，程序中的變量可能被分配到相同的物理地址，導(dǎo)致互相覆蓋。

舉個例子：

// program1.c
int?global_data =?100; ?// 全局變量

intmain(){
? ??while(1) {
? ? ? ? global_data++; ?// 不斷增加全局變量的值
? ? ? ? ...
? ? }
? ??return0;
}

// program2.c
int?global_data =?100; ?// 同名全局變量

intmain(){
? ??while(1) {
? ? ? ? global_data--; ?// 不斷減少全局變量的值
? ? ? ? ...
? ? }
? ??return0;
}

這個示例中兩個同時運(yùn)行的程序global_data變量的內(nèi)存地址可能相同，因此兩個程序的運(yùn)行會相互干擾，原因你很清楚，因?yàn)樗鼈児蚕硗粋€內(nèi)存空間，你開始意識到，僅僅依靠程序員的自覺來避免互相干擾是不夠的，需要從系統(tǒng)層面提供隔離機(jī)制。

于是，你開始設(shè)計(jì)一個新的抽象概念，讓各個運(yùn)行的程序彼此隔離，為每個程序提供獨(dú)立的內(nèi)存空間，你決定采用段氏內(nèi)存管理，每個運(yùn)行的程序中的各個段都有自己的內(nèi)存區(qū)域：

structmemory_map?{
? ??uint32_t?code_segment; ? ?// 代碼段起始地址
? ??uint32_t?code_size; ? ? ??// 代碼段大小

? ??uint32_t?data_segment; ? ?// 數(shù)據(jù)段起始地址
? ??uint32_t?data_size; ? ? ??// 數(shù)據(jù)段大小
? ??
? ??uint32_t?stack_segment; ??// 棧段起始地址
? ??uint32_t?stack_size; ? ? ?// 棧段大小
};

進(jìn)程誕生了

現(xiàn)在你設(shè)計(jì)了struct context以及struct memory_map，顯然它們都屬于某一個運(yùn)行起來的程序，“運(yùn)行起來的程序”是一個新的概念，你給起了個名字叫做進(jìn)程，process，現(xiàn)在進(jìn)程上下文以及內(nèi)存映射都可以放到進(jìn)程這個結(jié)構(gòu)體中：

structprocess?{
??structcontextctx;
??structmemory_mapmem;
};

就這樣你實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)最核心的功能：多任務(wù)。

進(jìn)程這種設(shè)計(jì)效果嗷嗷好：

• 用戶程序再也不會意外修改其他程序的數(shù)據(jù)

• 可以同時運(yùn)行多個程序，在它們之間來回切換

• 即使一個程序崩潰，也不會影響其他程序的運(yùn)行

不過，新的挑戰(zhàn)也隨之而來...

進(jìn)程切換的性能瓶頸

多任務(wù)系統(tǒng)的使用解決了多用戶共享計(jì)算機(jī)的問題。但很快，你就發(fā)現(xiàn)了一個令人頭疼的新問題：隨著系統(tǒng)中運(yùn)行的進(jìn)程越來越多，整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度開始明顯下降。

通過仔細(xì)觀察和測試，你發(fā)現(xiàn)問題出在進(jìn)程切換上。每次從一個進(jìn)程切換到另一個進(jìn)程時，系統(tǒng)都需要執(zhí)行大量的工作。

看一下你實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程：

structprocess?{
??structcontextctx;
??structmemory_mapmem;
};

進(jìn)程切換時處理器上下文和內(nèi)存映射都需要切換，尤其對于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的頁式內(nèi)存管理來說內(nèi)存映射切換的開銷非常高(CR3切換、TLB刷新等)。

是否有必要創(chuàng)建過多進(jìn)程？

真的有必要創(chuàng)建這么多進(jìn)程嗎？你仔細(xì)檢查了一個開啟大量進(jìn)程的web服務(wù)器，web服務(wù)器會創(chuàng)建多個工作進(jìn)程來處理不同的HTTP請求，這些工作進(jìn)程運(yùn)行完全相同的代碼來處理請求，卻各自占用一份獨(dú)立的內(nèi)存空間，同時這些進(jìn)程在切換時又會帶來大量開銷。

但是等等，既然這些進(jìn)程使用的是相同的代碼，為什么不能讓它們共享這部分內(nèi)存呢？你開始意識到，也許可以創(chuàng)造一種新的執(zhí)行單元，它們能共享進(jìn)程的大部分資源，同時又保持足夠的獨(dú)立性，如果多個執(zhí)行流可以共享同一個進(jìn)程的資源，那切換的開銷不就能大大降低了嗎？

這個想法最終引導(dǎo)你走向了一個全新的概念。

線程概念的誕生

經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)，你找到了一個突破性的解決方案：同一個進(jìn)程內(nèi)部支持多個執(zhí)行流。這個想法來源于一個關(guān)鍵觀察 ，很多時候，我們其實(shí)并不需要完全獨(dú)立的進(jìn)程，只需要能夠并行執(zhí)行不同的任務(wù)就夠了。

于是，你設(shè)計(jì)了一個全新的概念 —— 線程。每個線程都是進(jìn)程內(nèi)的一個獨(dú)立執(zhí)行單元，它們：

1. 共享進(jìn)程的地址空間，這意味著所有線程可以直接訪問相同的內(nèi)存區(qū)域

2. 共享打開的文件描述符，避免了重復(fù)打開關(guān)閉文件的開銷

3. 共享其他系統(tǒng)資源，如信號處理函數(shù)、進(jìn)程工作目錄等

4. 僅維護(hù)獨(dú)立的執(zhí)行棧和寄存器狀態(tài)，確保每個線程可以獨(dú)立執(zhí)行

這就是線程的誕生故事，它完美平衡了資源共享和執(zhí)行獨(dú)立性，是操作系統(tǒng)發(fā)展史上一個重要的里程碑。

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