进程、线程与上下文切换

操作系统对 CPU 的第一个抽象：进程是资源与保护的单位，线程是调度的单位。本章讲进程的地址空间与状态、fork/exec 模型、线程的实现、上下文切换的成本，以及协程为何再度流行。

进程：资源与保护的单位

进程是被操作系统虚拟出来的一台机器：独立的虚拟地址空间、文件描述符表、信号处理、一组寄存器状态。隔离由此而来——一个进程不能直接读写另一个进程的内存（→ 虚拟内存、分页与 TLB）。

进程状态机：运行 → 就绪 → 等待（阻塞）。等待 I/O 或锁的进程让出 CPU，就绪队列里的进程等待被调度（→ CPU 调度）。

fork/exec 模型

Unix 创建进程的两步：

fork：复制当前进程（地址空间、fd 表全部复制）——写时复制（copy-on-write）让创建进程便宜：父子共享物理页，标记只读，谁写谁触发缺页、才真正复制。fork 本身只是复制页表；
exec：替换地址空间为新程序，保留 fd（可配置）与 pid。

fork/exec 分离的设计回报：fork 后、exec 前可以配置新进程（重定向 fd、设置环境）——shell 的管道与重定向就是在这两步之间搭的（ls | grep x：fork 两次，中间把 fd 1 重定向到管道）。Windows 的单步 CreateProcess 模型少这层灵活性，多这类参数。

fork 的写时复制让创建进程便宜，但多线程程序 fork 是著名的坑：只有调用线程存活，锁的状态可能死锁——现代做法是 posix_spawn。

线程：调度的单位

线程共享进程的地址空间（代码、堆、打开的文件），私有栈与寄存器：

内核级线程：内核知道并调度每个线程；创建与切换走系统调用，但能用上多核；
用户级线程（绿色线程）：用户态库管理，切换快、创建海量线程，但阻塞系统调用会卡住整个进程（内核看不到）；
M:N 模型：用户线程多路复用到内核线程——现代语言运行时（Go goroutine、Erlang 进程、Java 虚拟线程）的路线。

上下文切换的成本

切换进程/线程：保存寄存器 → 切换内核栈 → 切换地址空间 → 恢复。直接成本微秒级，隐性成本是缓存与 TLB 失效：

切换地址空间使 TLB（可能还有缓存）失效——新进程的访存全部未命中，真实成本是数十微秒到毫秒级的"热身"；
这就是"上下文切换的隐性成本是缓存与 TLB 失效"，也是调度器避免频繁切换（时间片不能太小）的原因（→ CPU 调度）。

协程：用户态的执行流

协程把调度交给用户态以避免内核开销：协作式让出（yield）代替抢占式切换，切换只保存少量寄存器与栈指针，不进内核、不换地址空间——纳秒到微秒级。海量并发 I/O（10 万连接）由此可行：goroutine、async/await、虚拟线程都是协程（→ I/O 模型与事件驱动）。

代价是协作式调度：不让出的协程饿死其他协程（阻塞系统调用、CPU 密集循环）。运行时的应对：Go 在系统调用与分配点插入抢占检查。

本章要点

进程是资源与保护的单位，线程是调度的单位；隔离来自独立地址空间
fork 的写时复制让创建进程便宜；fork/exec 分离让"创建后配置"成为可能
上下文切换的隐性成本是缓存与 TLB 失效，直接成本反而是小头
内核级线程用得上多核，用户级线程切换快；M:N 是现代运行时的折中
协程把调度交给用户态以避免内核开销，代价是协作式的饿死风险