簡介
并發編程是現代軟件開發的核心能力，而進程與線程、進程池與線程池是實現高效并發的關鍵技術。 本文將從基礎概念出發，深入解析它們的工作原理、優勢及適用場景，并提供Python、Java、C#等主流語言的實戰代碼，幫助開發者掌握企業級并發編程的最佳實踐。
一、進程與線程基本概念
進程與線程核心對比：
進程是操作系統分配資源的基本單位，它是一個正在執行的程序實例，包含代碼、數據、堆棧以及與操作系統交互的各種資源。進程擁有獨立的地址空間，這意味著每個進程都有一套自己的虛擬地址空間，進程間的內存是隔離的。在Unix/Linux系統中，每個進程的地址空間通常是4GB（32位系統）或更大（64位系統）。進程的創建和銷毀開銷較大，因為涉及獨立地址空間的建立、系統資源的分配，以及安全屬性的設置等。進程間通信（IPC）相對復雜且效率較低，必須使用操作系統提供的通信機制，如管道、信號、套接字、消息隊列等。
線程是進程中的一個執行單元，是CPU調度和分配的基本單位。一個進程可以包含多個線程，它們共享進程的資源，如內存、文件句柄等，但擁有自己的棧和寄存器。線程的創建和銷毀開銷比進程小得多，因為它們共享進程的地址空間，僅需分配少量資源。線程間的通信簡單直接，因為它們共享相同的內存空間，可以直接讀寫共享變量，無需復雜的IPC機制。線程的調度通常只是保存和恢復寄存器的狀態以及少量的內核數據結構，無需切換內存映射。
在多任務操作系統中，調度是指操作系統管理進程或線程的執行順序的過程。進程的上下文切換開銷較大，因為涉及內存管理單元（MMU）的切換、頁表的更換等。而線程上下文切換的開銷相對較小，因為無需切換內存映射。
二、線程池與進程池工作原理
線程池與進程池流程圖：
線程池是管理和復用線程的機制，通過預先創建一組線程，避免頻繁創建和銷毀線程的開銷。線程池的核心組件包括：線程工廠（用于創建線程）、任務隊列（存放待執行的任務）、工作線程（負責執行任務）。
線程池的工作流程如下：當有任務提交時，如果線程池中存在空閑線程，則直接分配任務給空閑線程執行；如果線程池中沒有空閑線程且線程數未達到最大值，則創建新線程執行任務；如果線程數已達到最大值，則將任務放入任務隊列等待執行。線程空閑時間超過空閑存活時間，并且當前線程數大于核心線程數的則會銷毀線程，直到線程數等于核心線程數。
進程池是管理和復用進程的機制，通過預先創建一組進程，避免頻繁創建和銷毀進程的開銷。進程池的核心思想是創建固定數量的進程，然后將需要執行的任務分配給這些空閑的進程來處理。當某個進程完成任務后，它會回到池中，等待下一個任務。進程池的工作流程包括：初始化（預創建一定數量的子進程）、任務分配（將任務分配給空閑的子進程）、任務處理（子進程執行任務）、復用進程（任務執行完成后，進程回到池中）。
進程池與線程池的核心區別在于資源管理、創建開銷和通信方式。線程共享同一進程的內存空間，通信簡單；而進程擁有獨立的內存空間，通信復雜。線程的創建和切換開銷較小，適合處理需要頻繁通信的任務；進程的創建和切換開銷較大，適合處理需要高隔離性的任務。
| 特性 | 線程池 | 進程池 |
|---|---|---|
| 資源管理 | 管理線程（輕量級資源），線程共享進程的內存空間 | 管理進程（重量級資源），每個進程有獨立的內存空間 |
| 創建開銷 | 線程創建開銷較小，適合高并發、短任務場景 | 進程創建開銷較大，適合需要隔離 |
