什么是線程

什么是線程?線程與進程與有什么關系?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，講的明白一點，因為這是個一直困擾我很久的，撲朔迷離的知識領域，希望通過我的理解揭開它一層一層神秘的面紗。

任務調度

線程是什么?要理解這個概念，須要先了解一下操作系統(tǒng)的一些相關概念。大部分操作系統(tǒng)(如Windows、Linux)的任務調度是采用時間片輪轉的搶占式調度方式，也就是說一個任務執(zhí)行一小段時間后強制暫停去執(zhí)行下一個任務，每個任務輪流執(zhí)行。任務執(zhí)行的一小段時間叫做時間片，任務正在執(zhí)行時的狀態(tài)叫運行狀態(tài)，任務執(zhí)行一段時間后強制暫停去執(zhí)行下一個任務，被暫停的任務就處于就緒狀態(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，在各個任務之間快速地切換，給人的感覺就是多個任務在“同時進行”，這也就是我們所說的并發(fā)(別覺得并發(fā)有多高深，它的實現(xiàn)很復雜，但它的概念很簡單，就是一句話：多個任務同時執(zhí)行)。多任務運行過程的示意圖如下：

圖 1：操作系統(tǒng)中的任務調度

我們都知道計算機的核心是CPU，它承擔了所有的計算任務;而操作系統(tǒng)是計算機的管理者，它負責任務的調度、資源的分配和管理，統(tǒng)領整個計算機硬件;應用程序側是具有某種功能的程序，程序是運行于操作系統(tǒng)之上的。

進程是一個具有一定獨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)進行資源分配和調度的一個獨立單位，是應用程序運行的載體。進程是一種抽象的概念，從來沒有統(tǒng)一的標準定義。進程一般由程序、數(shù)據(jù)集合和進程控制塊三部分組成。程序用于描述進程要完成的功能，是控制進程執(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)，包含進程的描述信息和控制信息，是進程存在的唯一標志。

進程具有的特征：

動態(tài)性：進程是程序的一次執(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：任何進程都可以同其他進程一起并發(fā)執(zhí)行;

獨立性：進程是系統(tǒng)進行資源分配和調度的一個獨立單位;

結構性：進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊三部分組成。

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進程是能擁有資源和獨立運行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。任務調度采用的是時間片輪轉的搶占式調度方式，而進程是任務調度的最小單位，每個進程有各自獨立的一塊內存，使得各個進程之間內存地址相互隔離。

后來，隨著計算機的發(fā)展，對CPU的要求越來越高，進程之間的切換開銷較大，已經(jīng)無法滿足越來越復雜的程序的要求了。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，是處理器調度和分派的基本單位。一個進程可以有一個或多個線程，各個線程之間共享程序的內存空間(也就是所在進程的內存空間)。一個標準的線程由線程ID、當前指令指針(PC)、寄存器和堆棧組成。而進程由內存空間(代碼、數(shù)據(jù)、進程空間、打開的文件)和一個或多個線程組成。

進程與線程的區(qū)別

前面講了進程與線程，但可能你還覺得迷糊，感覺他們很類似。的確，進程與線程有著千絲萬縷的關系，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，而進程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位;
2. 一個進程由一個或多個線程組成，線程是一個進程中代碼的不同執(zhí)行路線;
3. 進程之間相互獨立，但同一進程下的各個線程之間共享程序的內存空間(包括代碼段、數(shù)據(jù)集、堆等)及一些進程級的資源(如打開文件和信號)，某進程內的線程在其它進程不可見;
4. 調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。

線程與進程關系的示意圖：

圖 2：進程與線程的資源共享關系

圖 3：單線程與多線程的關系

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

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進程是能擁有資源和獨立運行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。它相當于一個進程里只有一個線程，進程本身就是線程。所以線程有時被稱為輕量級進程(Lightweight Process，LWP)。

圖 4：早期的操作系統(tǒng)只有進程，沒有線程

后來，隨著計算機的發(fā)展，對多個任務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)，使得一個進程可以有多個線程

多線程與多核

上面提到的時間片輪轉的調度方式說一個任務執(zhí)行一小段時間后強制暫停去執(zhí)行下一個任務，每個任務輪流執(zhí)行。很多操作系統(tǒng)的書都說“同一時間點只有一個任務在執(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行嗎?

其實“同一時間點只有一個任務在執(zhí)行”這句話是不準確的，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?這就需要了解內核線程。

多核(心)處理器是指在一個處理器上集成多個運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一個內核線程。內核線程(Kernel Thread， KLT)就是直接由操作系統(tǒng)內核支持的線程，這種線程由內核來完成線程切換，內核通過操作調度器對線程進行調度，并負責將線程的任務映射到各個處理器上。一般一個處理核心對應一個內核線程，比如單核處理器對應一個內核線程，雙核處理器對應兩個內核線程，四核處理器對應四個內核線程。

現(xiàn)在的電腦一般是雙核四線程、四核八線程，是采用超線程技術將一個物理處理核心模擬成兩個邏輯處理核心，對應兩個內核線程，所以在操作系統(tǒng)中看到的CPU數(shù)量是實際物理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下查看的結果

超線程技術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的運行效率。這種超線程技術(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中表現(xiàn)出來。

程序一般不會直接去使用內核線程，而是去使用內核線程的一種高級接口——輕量級進程(Light Weight Process，LWP)，輕量級進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)，由于每個輕量級進程都由一個內核線程支持，因此只有先支持內核線程，才能有輕量級進程。用戶線程與內核線程的對應關系有三種模型：一對一模型、多對一模型、多對多模型，在這以4個內核線程、3個用戶線程為例對三種模型進行說明。

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一個內核線程(反過來不一定成立，一個內核線程不一定有對應的用戶線程)。這樣，如果CPU沒有采用超線程技術(如四核四線程的計算機)，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核線程一樣的優(yōu)點，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：1.許多操作系統(tǒng)限制了內核線程的數(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)內核線程調度時，上下文切換的開銷較大，導致用戶線程的執(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核線程上，線程之間的切換由用戶態(tài)的代碼來進行，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***制。但多對一模型也有兩個缺點：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，因為此時內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，因為所有的用戶線程都映射到一個處理器上了。

圖 8：多對一模型

多對多模型

多對多模型結合了一對一模型和多對一模型的優(yōu)點，將多個用戶線程映射到多個內核線程上。多對多模型的優(yōu)點有：1.一個用戶線程的阻塞不會導致所有線程的阻塞，因為此時還有別的內核線程被調度來執(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

查看進程與線程

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

查看進程數(shù)和線程數(shù)：

圖 10：查看線程數(shù)和進程數(shù)

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

查看CPU和內存的使用率：

在性能選項卡中，我們可以查看CPU和內存的使用率，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就有四個監(jiān)視器。

圖 11：查看CPU和內存的使用率

線程的生命周期

當線程的數(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)，不同的線程運行在不同的處理器上。但當線程的數(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)，因為此時至少有一個處理器會運行多個線程。

在單個處理器運行多個線程時，并發(fā)是一種模擬出來的狀態(tài)。操作系統(tǒng)采用時間片輪轉的方式輪流執(zhí)行每一個線程?，F(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的搶占式調度方式，如我們熟悉的Unix、Linux、Windows及Mac OS X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，也是任務執(zhí)行的最小單位。在早期只有進程的操作系統(tǒng)中，進程有五種狀態(tài)，創(chuàng)建、就緒、運行、阻塞(等待)、退出。早期的進程相當于現(xiàn)在的只有單個線程的進程，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程的生命周期類似。

圖 12：早期進程的生命周期

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

創(chuàng)建：進程正在創(chuàng)建，還不能運行。操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進程時要進行的工作包括分配和建立進程控制塊表項、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，此線程被強制暫停，等待下一個屬于他的時間片到來;

運行：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：進程已結束，所以也稱結束狀態(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，等待該線程被調用執(zhí)行;

就緒：時間片已用完，此線程被強制暫停，等待下一個屬于他的時間片到來;

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