线程详解

以下内容摘自《程序员的自我修养》

什么是线程？

线程（Thread），有时被称为轻量级（Lightweight Process, LWP），是程序执行流程的最小单元。一个标准的线程由线程ID、当前指令指针（PC）、寄存器集合和堆栈组成 。通常意义上，一个进程由一个到多个线程，各个线程之间共享程序的内存空间（包括代码段、数据段、堆等）及一些进程级的资源（如打开文件和信号）。一个经典的线程与进程的关系如图：

大多数软件应用中，线程的数量都不止一个。多个线程可以互不干扰地并发进行，并共享进程的全局变量和堆的数据。那么，多个线程与单线程的进程相比，又有哪些优势呢？通常来说，使用多线程的原因有如下几点：

• 某个操作可能会陷入长时间等待，等待的线程会进入睡眠状态，无法继续执行。多线程执行可以有效利用等待的时间。
• 某个操作（常常是计算）会消耗大量的时间，如果只有一个线程，程序和用户之间的交互会中断。多线程可以让一个线程负责交互，另一个线程负责计算。
• 程序逻辑本身要求并发操作，例如一个多端下载软件
• 多CPU或多核计算机，本身具备同时执行多个线程的能力，因此单线程程序无法全面发挥计算机的全部计算能力。
• 相对于多进程应用，多线程在数据共享方面的效率高得多。

线程访问权限

线程的访问非常自由，它可以访问进程内存里的所有数据，甚至包括其他线程的堆栈（如果它知道其他线程的堆栈地址，那么就是很少见的情况），但实际运用中线程也拥有自己的私有存储空间，包括以下几方面：

• 栈
• 线程局部存储
• 寄存器

线程调度与优先级

不论是在多处理器的计算机上还是单处理器的计算机上，线程总是“并发”执行的。当线程的数量小于等于处理器的数量时（并且操作系统支持多处理器），线程的并发是真正的并发，不同的线程运行在不同的处理器上，彼此之间互不相干。但对于线程数量大于处理器的情况，线程的并发会受到一些阻碍，因此此时至少一个处理器会运行多线程。
在单处理器对应多线程的情况下，并发是一种模拟出来的状态。操作系统会让这些多线程程序轮流执行，每次仅执行一小段时间，（通常是几十到几百毫秒），这样每一个线程就“看起来”在同时执行。这样的一个不断在处理器上切换不同的线程的行为称之为线程调度。在线程调度中，线程通常拥有三种状态，分别是：

• 运行（Running）
• 就绪（Ready）
• 等待（Waiting）
  处于运行中的线程拥有一段可执行的时间，这段时间称为时间片。当时间片用尽后的时候，进程就开始等待某事件，那么它将进入等待状态。每当一个线程离开运行状态时，调度系统就会选择一个其他的就绪线程继续执行。在一个处于等待状态的线程锁等待的事件发生之后，该线程就将进入就绪状态；
  

线程调度自多任务操作系统问世以来，就不断被提出不同的方案和算法，现在主流的调度方式尽管各不相同，但都带有优先级调度和轮转法。
在windows中可以通过

BOOL WINAPI SetThreadPriority(HANDLE hThread, int nPriority);

来设置线程的优先级，而linux下与线程相关的操作可以通过pthread库来实现；

让我们总结一下，在优先级调度的环境下，线程的优先级改变一般有三种方式。

• 用户指定优先级
• 根据进入等待状态的频繁程序提升或降低优先级
• 长时间得不到执行而被提升优先级

可抢占线程和不可抢占线程

我们之前讨论的线程调度有一个特点，那就是线程在用尽时间片之后会被强制剥夺继续执行的权利，而进入就绪状态，这个过程叫做抢占。
在不可抢占的线程中，线程主动放弃执行无非是两种情况。

• 当线程试图等待某一事件时（I/O等）。
• 线程主动放弃时间片
  因此，在不可抢占线程执行时候，有一个显著的特点，那就是线程调度的时间是确定的。线程调度只会发生在线程主动放弃执行或线程等待某事件的时候。这样可以避免一些因为抢占式线程里调度时间不确定而产生的问题。

Linux的多线程

Windows对进程和线程的实现如同教科书一般标准，windows内核有明确的线程和进程的概念，并且有一系列的API来操纵它们。但对于linux来说，线程并不是一个通用的概念。
Linux对多线程的支持颇为贫乏，事实上，在Linux内核中并不存在真正意义上的线程概念。Linux将所有的执行实体（无论是线程还是进程）都称为任务（Task），每一个任务概念上不同任务之间都可以选择共享空间，因此在实际意义上，共享同一个内存空间的多个任务构成了一个进程，这些任务也就成了这个进程中的线程。在Linux下，用以下方法可以创建一个新的任务：

fork函数产生一个和当前进程完全意义的新进程，并和当前进程一样从fork函数里返回。例如如下代码：

pid_t pid;
if (pid = fork())
{
    ....
}

fork只能够产生本任务的镜像，因此须要使用exec配合才能启动别的新任务。exec可以用新的可执行映像替换当前的可执行镜像