多线程的基础

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• 多线程的基础
• 线程的生命周期

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计算机多线程的定义：
多线程（Multithreading）是指在同一进程内并发执行多个线程的技术。每个线程代表一个执行流，可以独立执行代码。
在多线程程序中，操作系统会将多个线程的执行时间片交替分配给不同线程，从而使它们看起来几乎同时运行。
多线程的原理涉及操作系统如何调度和管理多个线程的执行、线程之间如何共享资源等方面。

多线程的基础

1. 线程与进程的关系：

   • 进程是操作系统资源分配的基本单位，一个进程内可以包含多个线程。
   • 线程是进程的一个执行单元，线程之间共享进程的资源，如内存、文件描述符等。

   每个进程至少有一个线程，通常称为主线程，其他线程则是子线程。多线程在同一进程内共享数据和资源，因此它们的创建和销毁成本较低。

2. 线程的独立性与共享资源：

   • 独立性：每个线程有自己的栈（用于存储局部变量、函数调用等），并且在调度时可以独立运行。
   • 共享资源：多个线程共享同一个进程的地址空间（包括代码段、全局变量、堆等），这使得线程间可以轻松共享数据。但也因此需要谨慎地管理并发访问，以防止数据竞争（data race）和不一致性。

3. 线程调度：
   多线程是通过操作系统的调度机制，使得多个线程在同一进程中并发执行。它可以提高CPU的利用率，并提升程序的效率，尤其在需要处理I/O密集型或计算密集型任务时非常有效。

   操作系统中的线程调度程序负责决定哪些线程运行、何时运行以及运行多长时间。不同的操作系统有不同的线程调度策略，通常会使用 时间片轮转（Round-robin）、优先级调度（Priority scheduling） 或 多级队列（Multilevel Queue） 等算法来管理线程的执行顺序。

   线程的调度由操作系统内核管理：

   • 抢占式调度：操作系统内核根据设定的时间片或者优先级来控制线程的运行，强制中断当前线程，切换到其他线程。这是现代操作系统（如Linux、Windows）的常见调度方式。
   • 协作式调度：线程自己决定何时让出CPU时间片，不会被强制中断。这种方式要求线程在合适的时机主动让出CPU时间（例如，在I/O操作时）。

4. 上下文切换：
   在多线程环境中，操作系统需要在不同线程之间切换执行，这个过程称为 上下文切换（Context Switch）。上下文切换涉及保存当前线程的状态（如寄存器值、程序计数器等）并加载下一个线程的状态。上下文切换是多线程的核心机制之一，它让操作系统能够在多个线程之间快速切换。

   上下文切换的代价通常较高，因为涉及到保存和恢复线程状态、更新调度器的数据结构等操作。因此，频繁的上下文切换会影响系统性能。

5. 线程同步与互斥：
   多线程通过同步机制和互斥机制来避免资源冲突和数据竞争。

   由于多个线程共享同一个进程的内存空间，线程间可能会并发访问共享资源。如果没有适当的同步机制，多个线程可能会同时修改同一共享变量，从而导致数据不一致或竞争条件（race condition）。

   为了避免这种情况，常用的同步机制有：

   • 互斥锁（Mutex）：保护共享资源的访问，确保在任何时刻只有一个线程可以访问某个资源。
   • 读写锁（Read/Write Lock）：允许多个线程并行读取共享资源，但在有线程写入资源时，其他线程不能读写。
   • 信号量（Semaphore）：控制对某个资源的访问，允许多个线程同时访问有限数量的资源。
   • 条件变量（Condition Variable）：用于线程间的协调，允许线程在特定条件满足时继续执行。

6. 线程的创建与销毁：

   • 创建：线程通常由主线程创建，并由操作系统负责分配资源（如栈空间）。线程的创建可以通过系统调用或者在高级编程语言中使用线程库（如Java的Thread类或Python的threading模块）来实现。
   • 销毁：当线程执行完毕，操作系统回收该线程的资源。线程也可以在运行过程中主动结束。
   • 详细请看下文的线程生命周期图。

7. 线程的并发与并行：

   • 并发（Concurrency）指的是多个线程在同一时间段内交替执行，可能并不在同一时刻同时运行。现代操作系统通过时间片轮转让多个线程在一个核心CPU上“看似”同时运行。
   • 并行（Parallelism）指的是多个线程在物理上同时执行，通常需要多个CPU核心同时工作，通常需要支持多核处理器的硬件。

   注：在单核处理器上，操作系统通过时间片轮转实现并发，而在多核处理器上，操作系统可以通过将线程分配到不同的CPU核心上实现并行。

线程的生命周期