什么是线程及线程相关知识

1.线程是什么

通过之前的学习，我们可以了解到进程是正在执行的程序，但是进行在一个时间只能干一件事。如果向同时做两件事，进程是没有办法做到的，但是线程可以做到。

线程就是为了让进程能够同时干多件事而发明的一种“分身术”。
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由于线程是进程的分身，那么线程和进程在本质上是一样的，拥有同样的程序文本。但是线程不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构。但是尽管线程是进程的分身，它们之间还是由区分的，就是线程执行时的上下文不一致。一般来说，我们说：

线程是进程里面的一个执行上下文或者执行序列。执行序列就是一组有序指令的集合——函数。
在线程模式下，一个进程至少有一个线程(主线程，即main方法代表的执行序列)，但也可以有多个线程。也就是说，一个进程可以同时拥有多个执行序列。
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进程、线程就好像一场舞台剧，舞台上可以有多个演员同时出场，这些演员和舞台就构成了一场剧。其中，每个演员就是一个线程，舞台是地址空间，这个同一个地址空间里面的所有线程就构成了进程。

1.1线程优点

将进程分解为线程可以有效利用多处理器和多核计算机。在没有线程的情况下，增加处理器并不能提高进程的执行效率。但如果分解为多个线程，则可以让不同的线程同时运转在不同的处理器上，提高进程的执行速度。

2.线程的管理

线程管理就是维护线程的各种信息，包括线程的各种关键资料。
存放线程信息的数据结构称为线程控制表或线程控制块(TCB)。
基于线程共享一个进程空间，线程的许多资源都是共享的。
共享的资源存放在进程控制块(PCB)里面。不被共享的资源放在线程控制块里面。
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资源共享和独享就像在一个教室上课的学生，教室里面很多东西都是共享的，如投影，粉笔，话筒等；但有的东西则是每个人独享的，如座位等。
那么如何判断那些资源为同一进程的不同线程共享，那些资源不被共享？一般的判断标准为：

如果某资源不独享会导致线程运行错误，则该资源就由每个线程独享；而其他资源都由进程里面的所有线程所共享。
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基于此，给出一般情况下，同一进程的线程间共享和独享资源的划分：

3.线程的实现方式（内核级线程、用户态线程和混合级线程）

由于线程是进程的构成部分，那么线程的管理就有两种方式：①进程自己来管理线程，②操作系统来管理线程。
基于这两种不同的选择就出现了线程实现的两种方式：①内核线程实现（操作系统来管理线程），②用户态线程实现（进程自己来管理线程）。
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思考：进程为什么不区分实现方式？
答：进程是在CPU上实现并发，而CPU是由操作系统管理的，因此，进程的实现只能由操作系统内核来进行，而不存在用户态实现的情况。

3.1 内核级线程

操作系统管理线程，就要保持维护线程的各种信息，即将线程控制块存放在操作系统内核空间。这样，操作系统内核就同时拥有进程控制块和线程控制块。而根据进程控制块和线程控制块提供的信息，操作系统就可以对线程进行类似进程的管理，比如线程调度、线程的资源分配、各种安全措施的实现。

优点

1. 用户编程保持简单。
   因为线程的复杂性由操作系统承担，用户程序员在编程时无需管理线程的调度，即无需担心线程什么时候结束、什么时候挂起。
2. 如果一个线程执行阻塞操作，操作系统可以从容地调度另外一个线程执行。因为操作系统的能够监控所有线程。

缺点

1. 效率低，因为线程在内核态实现，每次线程切换都需要陷入到内核，由操作系统进行调度。而从用户态陷入到内核态是要花时间的。
2. 内核态占用内核稀缺的内存资源，因为操作系统需要维护线程表。操作系统所占内存空间一旦装载结束后就已经固定，无法动态改变。由于线程的数量通常大大高于进程的数量，那么随着线程数量的增加，操作系统内核空间将迅速耗尽。
3. 内核态实现需要修改操作系统，促使了用户态线程的诞生。
   

3.2用户态线程

用户态线程是用户自己做线程的切换，自己管理线程的信息，而操作系统无需知道线程的存在。
用户态在调度线程时，必须写一个执行系统作为调度器，即除了正常执行任务的线程外，还有一个专门负责线程调度的线程。
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下面用图来展示一下用户态线程实现：

优点

1. 灵活性高，操作系统不需要知道线程的存在，所有在任何操作系统上面都可以应用。
2. 线程切换快，线程切换在用户态执行，无需进入内核态
3. 不用修改操作系统，实现容易。

缺点

1. 程序编写困难，各线程相互合作使用CPU，程序中考虑什么时候让出CPU使用权较难

2. 无法达到线程目标（进程级多道编程）

3. 在执行过程中，如果一个线程阻塞，它无法将CPU控制权交出，这样整个进程无法向前推进。OS随即将CPU控制权交给另外一个进程。

   线程阻塞解决办法：
   ①在线程执行任何系统调用之前，先确认该调用是否会发生阻塞，如果会，就禁止调用；否则就放行。（前提条件是该调用在等待一段时间后一定会变为非阻塞调用）
   ②进程阻塞后，激活受阻进程的其他线程。在一个进程挂起后，OS并不立即切换到别的进程，而是该进程第二次机会，让其继续执行。如果该进程只有一个线程，或者其所有线程都已经阻塞，则控制权再次返回给OS。（修改操作系统进程切换时的指令，让其不是立即切换到别的进程；违背了层次架构原则（本应该执行系统调用操作系统）；不安全）
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3. 3 混合级线程（结合以上两种方式来实现）

基于以上两中实现方式的优缺点，提出了一种将两者结合起来的混合级线程。
用户态的执行系统负责进程内部线程在非阻塞时的切换。
内核态的操作系统负责阻塞线程的切换。
内核态线程数量较少，而用户态线程数量多。
用户态线程被多路复用到内核态线程上，即每个内核线程可以服务一个或多个用户态线程。
如果一个线程阻塞，则与其同一组的线程皆阻塞，但另外一组线程却可以继续执行。
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在分配线程时，将需要执行阻塞操作的线程设定为内核态线程，不会执行阻塞操作的线程设为用户态线程。
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3.4从用户态到内核态

线程从用户态到内核态的两种情况：
①在程序运行过程中发生中断或者异常，系统将自动切换到内核态运行中断或异常处理机制。
②程序进行系统调用也将造成用户态进入内核态。
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总结

线程和进程的区别

1. 线程是CPU调度的最小单位， 进程是系统资源分配的最小单位
2. 线程间的切换效率相比于进程间的切换要高
3. 进程创建消耗的资源大，线程相对小一些，所以创建线程的效率也能稍微高一些
4. 进程都是相互独立的，而一个进程内的线程共享很多资源的（地址空间）
5. 进程间的通信就需要一些特殊的技术，线程通信就比较简单（线程就要考虑安全问题）
6. 线程只有相关堆栈、寄存器和线程控制表TCB组成。寄存器可以存储本线程的局部变量。

线程优缺点

优点

线程在进程级别实现了多道编程，使得一个进程可以同时干好多事，提高了程序运行效率，提高了硬件资源的使用率。
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缺点

①系统运行的不确定性（单个线程的执行效率，执行准确性均存在不确定性）
②多线程中出现异常很麻烦
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