程序、線程、多程序、多線程的優缺點和差別

程序：是并發執行的程式在執行過程中配置設定和管理資源的基本機關，是一個動态概念，競争計算機系統資源的基本機關。

線程：是程序的一個執行單元，是程序内科排程實體。比程序更小的獨立運作的基本機關。線程也被稱為輕量級程序。

一個程式至少一個程序，一個程序至少一個線程。

為什麼會有線程？

　　每個程序都有自己的位址空間，即程序空間，在網絡或多使用者換機下，一個伺服器通常需要接收大量不确定數量使用者的并發請求，為每一個請求都建立一個程序顯然行不通（系統開銷大響應使用者請求效率低），是以作業系統中線程概念被引進。

• 線程的執行過程是線性的，盡管中間會發生中斷或者暫停，但是程序所擁有的資源隻為改線狀執行過程服務，一旦發生線程切換，這些資源需要被保護起來。
• 程序分為單線程程序和多線程程序，單線程程序宏觀來看也是線性執行過程，微觀上隻有單一的執行過程。多線程程序宏觀是線性的，微觀上多個執行操作。

線程的改變隻代表CPU的執行過程的改變，而沒有發生程序所擁有的資源的變化。　

程序線程的差別：

• 位址空間：同一程序的線程共享本程序的位址空間，而程序之間則是獨立的位址空間。
• 資源擁有：同一程序内的線程共享本程序的資源如記憶體、I/O、cpu等，但是程序之間的資源是獨立的。

　　　　　一個程序崩潰後，在保護模式下不會對其他程序産生影響，但是一個線程崩潰整個程序都死掉。是以多程序要比多線程健壯。

　　　　　程序切換時，消耗的資源大，效率高。是以涉及到頻繁的切換時，使用線程要好于程序。同樣如果要求同時進行并且又要共享某些變量的并發操作，隻能用線程不能用程序

• 執行過程：每個獨立的程序程有一個程式運作的入口、順序執行序列和程式入口。但是線程不能獨立執行，必須依存在應用程式中，由應用程式提供多個線程執行控制。
• 線程是處理器排程的基本機關，但是程序不是。
• 兩者均可并發執行。

優缺點：

　　線程執行開銷小，但是不利于資源的管理和保護。線程适合在SMP機器（雙CPU系統）上運作。

　　程序執行開銷大，但是能夠很好的進行資源管理和保護。程序可以跨機器前移。

何時使用多程序，何時使用多線程？

對資源的管理和保護要求高，不限制開銷和效率時，使用多程序。

要求效率高，頻繁切換時，資源的保護管理要求不是很高時，使用多線程。

一. 在Linux下程式設計多用多程序程式設計少用多線程程式設計

IBM有個家夥做了個測試，發現切換線程context的時候，windows比linux快一倍多。進出最快的鎖（windows2k的 critical section和linux的pthread_mutex），windows比linux的要快五倍左右。當然這并不是說linux不好，而且在經過實際程式設計之後，綜合來看我覺得linux更适合做high performance server，不過在多線程這個具體的領域内，linux還是稍遜windows一點。這應該是情有可原的，畢竟unix家族都是從多程序過來的，而 windows從頭就是多線程的。

如果是UNIX/linux環境，采用多線程沒必要。多線程比多程序性能高？誤導！應該說，多線程比多程序成本低，但性能更低。在UNIX環境，多程序排程開銷比多線程排程開銷，沒有顯著差別，就是說，UNIX程序排程效率是很高的。記憶體消耗方面，二者隻差全局資料區，現在記憶體都很便宜，伺服器記憶體動辄若幹G，根本不是問題。

多程序是立體交通系統，雖然造價高，上坡下坡多耗點油，但是不堵車。多線程是平面交通系統，造價低，但紅綠燈太多，老堵車。就比如我們都開跑車，油（主頻）不是問題，也不怕上坡下坡，但就怕堵車。

高性能交易伺服器中間件，如TUXEDO，都是主張多程序的。實際測試表明，TUXEDO性能和并發效率是非常高的。TUXEDO是貝爾實驗室的，與UNIX同宗，應該是對UNIX了解最為深刻的，他們的意見應該具有很大的參考意義。

二. 程序

1. 程序的優點

• 順序程式的特點：具有封閉性和可再現性；
• 程式的并發執行和資源共享。多道程式設計出現後，實作了程式的并發執行和資源共享，提高了系統的效率和系統的資源使用率。

2. 程序的缺點

• 作業系統排程切換多個線程要比切換排程程序在速度上快的多。而且程序間記憶體無法共享，通訊也比較麻煩。
• 線程之間由于共享程序記憶體空間，是以交換資料非常友善；在建立或撤消程序時，由于系統都要為之配置設定和回收資源，導緻系統的開銷明顯大于建立或撤消線程時的開銷。

三. 線程

1. 線程的優點

• 它是一種非常”節儉”的多任務操作方式。在Linux系統下，啟動一個新的程序必須配置設定給它獨立的位址空間，建立衆多的資料表來維護它的代碼段、堆棧段和資料段，這是一種”昂貴”的多任務工作方式。而運作于一個程序中的多個線程，它們彼此之間使用相同的位址空間，共享大部分資料，啟動一個線程所花費的空間遠遠小于啟動一個程序所花費的空間，而且，線程間彼此切換所需的時間也遠遠小于程序間切換所需要的時間。當然，在具體的系統上，這個資料可能會有較大的差別；
• 線程間友善的通信機制，由于同一程序下的線程之間共享資料空間，是以一個線程的資料可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且友善；
• 使多CPU系統更加有效。作業系統會保證當線程數不大于CPU數目時，不同的線程運作于不同的CPU上；

2. 線程的缺點

• 排程時, 要儲存線程狀态，頻繁排程, 需要占用大量的機時；
• 程式設計上容易出錯（線程同步問題）。

四. 多程序

1. 多程序優點

• 每個程序互相獨立，不影響主程式的穩定性，子程序崩潰沒關系；
• 通過增加CPU，就可以容易擴充性能；
• 可以盡量減少線程加鎖/解鎖的影響，極大提高性能，就算是線程運作的子產品算法效率低也沒關系；
• 每個子程序都有2GB位址空間和相關資源，總體能夠達到的性能上限非常大

2. 多程序缺點

• 邏輯控制複雜，需要和主程式互動；
• 需要跨程序邊界，如果有大資料量傳送，就不太好，适合小資料量傳送、密集運算
• 多程序排程開銷比較大；

五. 多線程

• 無需跨程序邊界；
• 程式邏輯和控制方式簡單；
• 所有線程可以直接共享記憶體和變量等；
• 線程方式消耗的總資源比程序方式好；

• 每個線程與主程式共用位址空間，受限于2GB位址空間；
• 線程之間的同步和加鎖控制比較麻煩；
• 一個線程的崩潰可能影響到整個程式的穩定性；
• 到達一定的線程數程度後，即使再增加CPU也無法提高性能，例如Windows Server 2003，大約是1500個左右的線程數就快到極限了（線程堆棧設定為1M），如果設定線程堆棧為2M，還達不到1500個線程總數；
• 線程能夠提高的總性能有限，而且線程多了之後，線程本身的排程也是一個麻煩事兒，需要消耗較多的CPU