多任务是操作系统能够同时运行多个任务的能力。它通过在任务之间快速切换，营造出一种同时执行的错觉。这个过程被称为上下文切换，即 CPU 给每个任务分配很小的时间片。这样能确保所有任务都有机会运行，防止某一个任务拖慢整个系统，并让我们能流畅地运行多个应用程序。
多任务如何运作
多任务是通过以下机制实现的：
- 时间分片： 将 CPU 时间以微小切片的形式分配给各个任务。
- 上下文切换： 保存一个任务的状态并恢复另一个任务的状态，从而无缝地继续执行。
- 资源管理： 在多个任务之间高效地分配内存、I/O 设备和 CPU 周期。
多任务的类型
根据执行单元的不同，多任务可以分为两种类型：
- 基于进程的多任务处理
- 基于线程的多任务处理
现在让我们简要讨论一下这两者的区别：
基于进程的多任务处理
在基于进程的多任务处理中，两个或多个独立的进程并发运行。每个进程都是自包含的，拥有：
- 自己的内存空间（地址空间）
- 自己的代码、数据和系统资源
- 自己的进程控制块（PCB）
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关键特征
- 隔离性： 每个进程独立运行，互不干扰。
- 重量级： 由于需要分配独立的内存，开销较大。
- 通信较慢： 进程间通信（IPC）机制（如管道、消息队列、共享内存）增加了复杂性。
- 安全性更高： 一个进程的故障不会影响其他进程，确保了系统的稳定性。
优势
- 强大的故障隔离：一个进程崩溃不会影响其他进程。
- 高鲁棒性：非常适合处理不受信任或相互独立的应用程序。
局限性
- 由于地址空间独立，存在内存开销。
- 上下文切换的开销比线程高。
- IPC 复杂，增加了通信成本。
示例： 在使用浏览器浏览网页的同时运行音乐播放器。
两者都是独立的进程，拥有各自的内存和资源。
基于线程的多任务处理（多线程）
在基于线程的多任务处理中，多个线程运行在单个进程内部。线程共享：
- 相同的地址空间、代码和数据
- 但每个线程都有自己的栈和执行上下文
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关键特征
- 轻量级： 与进程相比，创建和管理线程的速度更快。
- 共享内存： 允许线程之间直接进行通信。
- 高效同步： 通过使用锁、信号量和条件变量等原语来实现。
- 可扩展性： 线程可以利用多核 CPU 进行并行处理。
优势
- 内存和上下文切换的开销较低。
- 通过共享内存实现线程间的快速通信。
- 提高了应用程序内部的响应速度。
局限性
- 缺乏隔离： 一个出错的线程可能会导致整个进程崩溃。
- 同步问题： 需要谨慎处理以避免竞态条件和死锁。
- 调试复杂： 并发问题使得测试和调试变得更加困难。
示例
- 在浏览器中，一个线程负责页面导航，而另一个线程负责下载文件。
- 在 Word 中，一个线程处理文本输入，而另一个线程在后台进行拼写检查。