什么是線程

什么是線程？線程與進(jìn)程與有什么關(guān)系？這是一個非常抽象的問題，也是一個特別廣的話題，涉及到非常多的知識。我不能確保能把它講的話，也不能確保講的內(nèi)容全部都正確。即使這樣，我也希望盡可能地把他講通俗一點(diǎn)，講的明白一點(diǎn)，因?yàn)檫@是個一直困擾我很久的，撲朔迷離的知識領(lǐng)域，希望通過我的理解揭開它一層一層神秘的面紗。

任務(wù)調(diào)度

線程是什么？要理解這個概念，須要先了解一下操作系統(tǒng)的一些相關(guān)概念。

大部分操作系統(tǒng)(如Windows、Linux)的任務(wù)調(diào)度是采用時間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式，也就是說一個任務(wù)執(zhí)行一小段時間后強(qiáng)制暫停去執(zhí)行下一個任務(wù)，每個任務(wù)輪流執(zhí)行。任務(wù)執(zhí)行的一小段時間叫做時間片，任務(wù)正在執(zhí)行時的狀態(tài)叫運(yùn)行狀態(tài)，任務(wù)執(zhí)行一段時間后強(qiáng)制暫停去執(zhí)行下一個任務(wù)，被暫停的任務(wù)就處于就緒狀態(tài)等待下一個屬于它的時間片的到來。

這樣每個任務(wù)都能得到執(zhí)行，由于CPU的執(zhí)行效率非常高，時間片非常短，在各個任務(wù)之間快速地切換，給人的感覺就是多個任務(wù)在“同時進(jìn)行”，這也就是我們所說的并發(fā)(別覺得并發(fā)有多高深，它的實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，但它的概念很簡單，就是一句話：多個任務(wù)同時執(zhí)行)。多任務(wù)運(yùn)行過程的示意圖如下：

圖1：操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度

進(jìn)程

我們都知道計算機(jī)的核心是CPU，它承擔(dān)了所有的計算任務(wù)；而操作系統(tǒng)是計算機(jī)的管理者，它負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度、資源的分配和管理，統(tǒng)領(lǐng)整個計算機(jī)硬件；應(yīng)用程序側(cè)是具有某種功能的程序，程序是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的。

進(jìn)程是一個具有一定獨(dú)立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集上的一次動態(tài)執(zhí)行的過程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位，是應(yīng)用程序運(yùn)行的載體。

進(jìn)程是一種抽象的概念，從來沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。進(jìn)程一般由程序、數(shù)據(jù)集合和進(jìn)程控制塊三部分組成。

程序用于描述進(jìn)程要完成的功能，是控制進(jìn)程執(zhí)行的指令集；數(shù)據(jù)集合是程序在執(zhí)行時所需要的數(shù)據(jù)和工作區(qū)；程序控制塊(Program Control Block，簡稱PCB)，包含進(jìn)程的描述信息和控制信息，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。

進(jìn)程具有的特征：

動態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是臨時的，有生命期的，是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的；

并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以同其他進(jìn)程一起并發(fā)執(zhí)行；

獨(dú)立性：進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位；

結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三部分組成。

線程

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進(jìn)程是能擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。

任務(wù)調(diào)度采用的是時間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式，而進(jìn)程是任務(wù)調(diào)度的最小單位，每個進(jìn)程有各自獨(dú)立的一塊內(nèi)存，使得各個進(jìn)程之間內(nèi)存地址相互隔離。

后來，隨著計算機(jī)的發(fā)展，對CPU的要求越來越高，進(jìn)程之間的切換開銷較大，已經(jīng)無法滿足越來越復(fù)雜的程序的要求了。于是就發(fā)明了線程，線程是程序執(zhí)行中一個單一的順序控制流程，是程序執(zhí)行流的最小單元，是處理器調(diào)度和分派的基本單位。

一個進(jìn)程可以有一個或多個線程，各個線程之間共享程序的內(nèi)存空間(也就是所在進(jìn)程的內(nèi)存空間)。一個標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID、當(dāng)前指令指針(PC)、寄存器和堆棧組成。而進(jìn)程由內(nèi)存空間(代碼、數(shù)據(jù)、進(jìn)程空間、打開的文件)和一個或多個線程組成。

進(jìn)程與線程的區(qū)別

前面講了進(jìn)程與線程，但可能你還覺得迷糊，感覺他們很類似。的確，進(jìn)程與線程有著千絲萬縷的關(guān)系，下面就讓我們一起來理一理：

1.線程是程序執(zhí)行的最小單位，而進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位；

2.一個進(jìn)程由一個或多個線程組成，線程是一個進(jìn)程中代碼的不同執(zhí)行路線；

3.進(jìn)程之間相互獨(dú)立，但同一進(jìn)程下的各個線程之間共享程序的內(nèi)存空間(包括代碼段、數(shù)據(jù)集、堆等)及一些進(jìn)程級的資源(如打開文件和信號)，某進(jìn)程內(nèi)的線程在其它進(jìn)程不可見；

4.調(diào)度和切換：線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換要快得多。

線程與進(jìn)程關(guān)系的示意圖：

圖2：進(jìn)程與線程的資源共享關(guān)系

圖3：單線程與多線程的關(guān)系

總之，線程和進(jìn)程都是一種抽象的概念，線程是一種比進(jìn)程更小的抽象，線程和進(jìn)程都可用于實(shí)現(xiàn)并發(fā)。

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進(jìn)程是能擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。它相當(dāng)于一個進(jìn)程里只有一個線程，進(jìn)程本身就是線程。

所以線程有時被稱為輕量級進(jìn)程(Lightweight Process，LWP）。

圖4：早期的操作系統(tǒng)只有進(jìn)程，沒有線程

后來，隨著計算機(jī)的發(fā)展，對多個任務(wù)之間上下文切換的效率要求越來越高，就抽象出一個更小的概念——線程，一般一個進(jìn)程會有多個(也可是一個)線程。

圖5：線程的出現(xiàn)，使得一個進(jìn)程可以有多個線程

多線程與多核

上面提到的時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度方式說一個任務(wù)執(zhí)行一小段時間后強(qiáng)制暫停去執(zhí)行下一個任務(wù)，每個任務(wù)輪流執(zhí)行。很多操作系統(tǒng)的書都說“同一時間點(diǎn)只有一個任務(wù)在執(zhí)行”。那有人可能就要問雙核處理器呢？難道兩個核不是同時運(yùn)行嗎？

其實(shí)“同一時間點(diǎn)只有一個任務(wù)在執(zhí)行”這句話是不準(zhǔn)確的，至少它是不全面的。那多核處理器的情況下，線程是怎樣執(zhí)行呢？這就需要了解內(nèi)核線程。

多核(心)處理器是指在一個處理器上集成多個運(yùn)算核心從而提高計算能力，也就是有多個真正并行計算的處理核心，每一個處理核心對應(yīng)一個內(nèi)核線程。

內(nèi)核線程（KernelThread，KLT）就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程，這種線程由內(nèi)核來完成線程切換，內(nèi)核通過操作調(diào)度器對線程進(jìn)行調(diào)度，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個處理器上。一般一個處理核心對應(yīng)一個內(nèi)核線程，比如單核處理器對應(yīng)一個內(nèi)核線程，雙核處理器對應(yīng)兩個內(nèi)核線程，四核處理器對應(yīng)四個內(nèi)核線程。

現(xiàn)在的電腦一般是雙核四線程、四核八線程，是采用超線程技術(shù)將一個物理處理核心模擬成兩個邏輯處理核心，對應(yīng)兩個內(nèi)核線程，所以在操作系統(tǒng)中看到的CPU數(shù)量是實(shí)際物理CPU數(shù)量的兩倍，如你的電腦是雙核四線程，打開“任務(wù)管理器性能”可以看到4個CPU的監(jiān)視器，四核八線程可以看到8個CPU的監(jiān)視器。

圖6：雙核四線程在Windows8下查看的結(jié)果

超線程技術(shù)就是利用特殊的硬件指令，把一個物理芯片模擬成兩個邏輯處理核心，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，進(jìn)而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高的CPU的運(yùn)行效率。

這種超線程技術(shù)(如雙核四線程)由處理器硬件的決定，同時也需要操作系統(tǒng)的支持才能在計算機(jī)中表現(xiàn)出來。

程序一般不會直接去使用內(nèi)核線程，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級接口——輕量級進(jìn)程（LightWeightProcess，LWP），輕量級進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程(我們在這稱它為用戶線程)，由于每個輕量級進(jìn)程都由一個內(nèi)核線程支持，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級進(jìn)程。

用戶線程與內(nèi)核線程的對應(yīng)關(guān)系有三種模型：一對一模型、多對一模型、多對多模型，在這以4個內(nèi)核線程、3個用戶線程為例對三種模型進(jìn)行說明。

一對一模型

對于一對一模型來說，一個用戶線程就唯一地對應(yīng)一個內(nèi)核線程(反過來不一定成立，一個內(nèi)核線程不一定有對應(yīng)的用戶線程)。這樣，如果CPU沒有采用超線程技術(shù)(如四核四線程的計算機(jī))，一個用戶線程就唯一地映射到一個物理CPU的線程，線程之間的并發(fā)是真正的并發(fā)。一對一模型使用戶線程具有與內(nèi)核線程一樣的優(yōu)點(diǎn)，一個線程因某種原因阻塞時其他線程的執(zhí)行不受影響；此處，一對一模型也可以讓多線程程序在多處理器的系統(tǒng)上有更好的表現(xiàn)。

但一對一模型也有兩個缺點(diǎn)：1.許多操作系統(tǒng)限制了內(nèi)核線程的數(shù)量，因此一對一模型會使用戶線程的數(shù)量受到限制；2.許多操作系統(tǒng)內(nèi)核線程調(diào)度時，上下文切換的開銷較大，導(dǎo)致用戶線程的執(zhí)行效率下降。

圖7：一對一模型

多對一模型

多對一模型將多個用戶線程映射到一個內(nèi)核線程上，線程之間的切換由用戶態(tài)的代碼來進(jìn)行，因此相對一對一模型，多對一模型的線程切換速度要快許多；此外，多對一模型對用戶線程的數(shù)量幾乎無限制。但多對一模型也有兩個缺點(diǎn)：1.如果其中一個用戶線程阻塞，那么其它所有線程都將無法執(zhí)行，因?yàn)榇藭r內(nèi)核線程也隨之阻塞了；2.在多處理器系統(tǒng)上，處理器數(shù)量的增加對多對一模型的線程性能不會有明顯的增加，因?yàn)樗械挠脩艟€程都映射到一個處理器上了。

圖8：多對一模型

多對多模型

多對多模型結(jié)合了一對一模型和多對一模型的優(yōu)點(diǎn)，將多個用戶線程映射到多個內(nèi)核線程上。多對多模型的優(yōu)點(diǎn)有：1.一個用戶線程的阻塞不會導(dǎo)致所有線程的阻塞，因?yàn)榇藭r還有別的內(nèi)核線程被調(diào)度來執(zhí)行；2.多對多模型對用戶線程的數(shù)量沒有限制；3.在多處理器的操作系統(tǒng)中，多對多模型的線程也能得到一定的性能提升，但提升的幅度不如一對一模型的高。

在現(xiàn)在流行的操作系統(tǒng)中，大都采用多對多的模型。

圖9：多對多模型

查看進(jìn)程與線程

一個應(yīng)用程序可能是多線程的，也可能是多進(jìn)程的，如何查看呢？在Windows下我們只須打開任務(wù)管理器就能查看一個應(yīng)用程序的進(jìn)程和線程數(shù)。按“Ctrl+Alt+Del”或右鍵快捷工具欄打開任務(wù)管理器。

查看進(jìn)程數(shù)和線程數(shù)：

圖10：查看線程數(shù)和進(jìn)程數(shù)

在“進(jìn)程”選項(xiàng)卡下，我們可以看到一個應(yīng)用程序包含的線程數(shù)。如果一個應(yīng)用程序有多個進(jìn)程，我們能看到每一個進(jìn)程，如在上圖中，Google的chrome瀏覽器就有多個進(jìn)程。同時，如果打開了一個應(yīng)用程序的多個實(shí)例也會有多個進(jìn)程，如上圖中我打開了兩個cmd窗口，就有兩個cmd進(jìn)程。如果看不到線程數(shù)這一列，可以在點(diǎn)擊“查看選擇列”菜單，增加監(jiān)聽的列。

查看CPU和內(nèi)存的使用率：

在性能選項(xiàng)卡中，我們可以查看CPU和內(nèi)存的使用率，根據(jù)CPU使用記錄的監(jiān)視器的個數(shù)還能看出邏輯處理核心的個數(shù)，如我的雙核四線程的計算機(jī)就有四個監(jiān)視器。

圖11：查看CPU和內(nèi)存的使用率

線程的生命周期

當(dāng)線程的數(shù)量小于處理器的數(shù)量時，線程的并發(fā)是真正的并發(fā)，不同的線程運(yùn)行在不同的處理器上。但當(dāng)線程的數(shù)量大于處理器的數(shù)量時，線程的并發(fā)會受到一些阻礙，此時并不是真正的并發(fā)，因?yàn)榇藭r至少有一個處理器會運(yùn)行多個線程。

在單個處理器運(yùn)行多個線程時，并發(fā)是一種模擬出來的狀態(tài)。操作系統(tǒng)采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式輪流執(zhí)行每一個線程。現(xiàn)在，幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)采用的都是時間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式，如我們熟悉的Unix、Linux、Windows及MacOSX等流行的操作系統(tǒng)。

我們知道線程是程序執(zhí)行的最小單位，也是任務(wù)執(zhí)行的最小單位。在早期只有進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程有五種狀態(tài)，創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、阻塞(等待)、退出。早期的進(jìn)程相當(dāng)于現(xiàn)在的只有單個線程的進(jìn)程，那么現(xiàn)在的多線程也有五種狀態(tài)，現(xiàn)在的多線程的生命周期與早期進(jìn)程的生命周期類似。

圖12：早期進(jìn)程的生命周期

進(jìn)程在運(yùn)行過程有三種狀態(tài)：就緒、運(yùn)行、阻塞，創(chuàng)建和退出狀態(tài)描述的是進(jìn)程的創(chuàng)建過程和退出過程。

創(chuàng)建：進(jìn)程正在創(chuàng)建，還不能運(yùn)行。操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程時要進(jìn)行的工作包括分配和建立進(jìn)程控制塊表項(xiàng)、建立資源表格并分配資源、加載程序并建立地址空間；

就緒：時間片已用完，此線程被強(qiáng)制暫停，等待下一個屬于他的時間片到來；

運(yùn)行：此線程正在執(zhí)行，正在占用時間片；

阻塞：也叫等待狀態(tài)，等待某一事件(如IO或另一個線程)執(zhí)行完；

退出：進(jìn)程已結(jié)束，所以也稱結(jié)束狀態(tài)，釋放操作系統(tǒng)分配的資源。

圖13：線程的生命周期

創(chuàng)建：一個新的線程被創(chuàng)建，等待該線程被調(diào)用執(zhí)行；

就緒：時間片已用完，此線程被強(qiáng)制暫停，等待下一個屬于他的時間片到來；

運(yùn)行：此線程正在執(zhí)行，正在占用時間片；

阻塞：也叫等待狀態(tài)，等待某一事件(如IO或另一個線程)執(zhí)行完；

退出：一個線程完成任務(wù)或者其他終止條件發(fā)生，該線程終止進(jìn)入退出狀態(tài)，退出狀態(tài)釋放該線程所分配的資源。

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