理解什么是线程

线程（Thread）在操作系统中的并发执行机制

1. 线程的定义

• 基本单位：线程是CPU调度的最小单位。在某些系统（如Linux）中，尽管进程可能是调度的基本单位，但线程是实际执行流。
• 资源归属：线程必须依附于进程存在。同一进程内的多个线程共享以下资源：
  • 内存空间（代码段、数据段、堆）
  • 文件句柄
  • 信号处理
  • 全局变量等

2. 操作系统线程的实现

内核级线程（KLT）

• 管理：由操作系统内核直接管理。
• 调度与生命周期：线程的调度、创建、销毁由内核完成。
• 优点：内核可以感知所有线程，调度更灵活。
• 缺点：线程切换需要从用户态到内核态的转换，开销较大。

用户级线程（ULT）

• 管理：由用户空间的线程库（如早期Java Green Thread）管理。
• 内核感知：内核仅感知进程，对ULT透明。
• 优点：线程切换无需内核介入，速度快。
• 缺点：一个ULT阻塞会导致整个进程阻塞。

现代混合模型

• 实现：结合KLT和ULT（如Windows线程+IOCP，Linux的NPTL）。
• 映射：通常采用"M:N"映射（M个ULT映射到N个KLT）。

3. 线程的关键特性

• 独立执行流：每个线程有独立的栈（stack）和程序计数器（PC）。
• 共享资源：
  • 进程级资源：内存、文件等。
  • 需同步访问的共享数据（通常使用mutex/semaphore保护）。
• 生命周期：
  • 创建：使用pthread_create()（POSIX）或std::thread（C++）。
  • 终止：正常退出或被其他线程取消（pthread_cancel()）。
  • 回收：使用pthread_join()避免僵尸线程。

4. 线程 vs 进程

特性	线程	进程
资源分配	共享进程资源	独立资源分配
通信方式	直接读写共享内存	管道/消息队列/共享内存
创建开销	小（仅分配栈和PC）	大（分配完整资源）
调度单位	轻量级（CPU调度基本单位）	较重（某些系统为调度单位）

5. 操作系统线程调度

• 调度策略：
  • 时间片轮转（RR）
  • 优先级调度（CFS完全公平调度器）
  • 实时调度（FIFO/RR）
• 状态转换：
  • 就绪 → 运行（获得CPU）
  • 运行 → 阻塞（等待I/O）
  • 阻塞 → 就绪（I/O完成）

6. 线程的典型应用场景

• I/O密集型：如Web服务器处理大量并发请求。
• 计算密集型：通过多线程利用多核CPU（任务需可拆分）。
• GUI程序：主线程处理界面，后台线程处理计算。