蒼穹之邊，浩瀚之摯，眰恦之美； 悟心悟性，善始善終，惟善惟道！ —— 朝槿《朝槿兮年說》 寫在開頭 眾所周知，在電腦操作系統中，進程(Process)是一個很關鍵的概念，最本質的理解就是操作系統執行的一個應用程式(Application Program)。與每個進程相關的是地址空間(Address ...
蒼穹之邊，浩瀚之摯，眰恦之美； 悟心悟性，善始善終，惟善惟道！ —— 朝槿《朝槿兮年說》
寫在開頭
眾所周知，在電腦操作系統中，進程(Process)是一個很關鍵的概念，最本質的理解就是操作系統執行的一個應用程式(Application Program)。與每個進程相關的是地址空間(Address Space)。其中，描述的是從某個最小值的存儲位置(通常是0)到最大值的存儲位置的列表。在這個地址空間中，進程可以進行讀寫操作。地址空間中可以存放可執行程式，以及程式需要的數據和棧針。與每個進程相關的資源集合。通常包括寄存器(Registers),打開的文件清單，突發的系統報警，有關的進程清單和其他執行程式的信息。其中，寄存器主要包括程式計數器(Program Counter)和堆棧指針(Stack Pointer)。從一定程度上，我們可以把進程當作容納運行一個程式所有信息的一個容器(Container)。
操作系統中可以使用進程來描述一個程式的執行過程，進程擁有該程式的所有數據(包括一些I/O分配情況、記憶體分配情況等)，也就是該程式的一個載體，所以進程有一個特點就是資源分配的單位，這一點十分重要。進程還有一個特點就是調度執行，交替執行以提高資源利用率。
操作系統管理進程(創建、切換進程、分配與回收等)開銷是很大的，比如進程創建時還需要創建PCB，分配記憶體獨立的內空間，建立映射表，創建資源，進程切換時還需要切換資源，如切換對應的記憶體映射表，進程退出時還需要釋放資源。
由此不難得出一個結論，每一個進程都有一個地址空間(Address Space)和一個控制線程(Control Thead)。但是，操作系統有了進程為何要出現線程呢？主要是因為，雖然進程任然是資源分配的單位，但是調度執行卻交給了線程，因為線程是在進程的內部，線程間的切換不用切換資源，不用切換映射表，只需要簡單的在進程內部切換一下PC指針和保存一些寄存器即可，這也就更輕量了(避免不了不同進程間的線程切換)。
基本概述
線程(Thread)既保留了併發執行的優點，也避免了進程切換的代價。
假設現在有一個網路伺服器，此時沒有線程的概念，該伺服器程式用到多個進程，如用一個進程監聽客戶端的請求，當客戶端連接上後就分派出(複製出一個子進程)一個進程給該用戶(每個進程都有獨立的資源)，用於監聽該用戶發送的數據並處理(即多進程程式)，此時設想一下，這多個進程切來切去，每次切換的時候都需要切換資源，是不是很耗費資源。
此時，引入了線程之後，網路伺服器這個程式是一個進程，進程用於承載該程式的資源，首先用進程中的一個線程監聽請求，每次連接客戶端都分配一個線程給用戶(多線程程式)，此時處理器只需要在這幾個線程中切換即可，線程的切換不需要切換資源(進程時資源級的切換，線程是指令級的切換)，那麼多個線程只需要共用進程中的資源即可，其運行速度和執行效率也得到了提升。
由此可見，操作系統引入線程後，調度和分派是線上程上完成的，但是某些活動會影響進程中的所有線程，因此這些活動必須在進程級對他們進行管理。如掛起操作會掛起所有線程，因為所有線程共用進程的用戶地址空間。引入了線程最關鍵的體現在以下兩個方面：
- 線程的創建、終止和調度更輕量
- 線程間的通信不進過內核，不需要用戶態->內核態的轉換
但是，同時也增加了程式的開發難度，如果開發者對於線程機制的掌握和認識不夠準確，也會陷入技術困惑。
線程模型
所有線程共用進程的狀態和資源，所以線程都駐留在同一塊地址空間中，並可訪問相同的數據。
對於有線程和無線程的區別，其中主要是體現在用戶棧和內核棧兩個關鍵：
- 用戶棧用於保存用戶進程的子程式間相互調用的參數、返回值以及局部變數等信息(保存普通方法的棧)
- 內核棧是程式發生系統調用時內核態調用方法時的棧；用戶地址空間則是進程的程式和數據存放的空間，線程是沒有自己的用戶地址空間的
一般來說，用戶棧和內核棧已經線上程中獨有，也證明瞭線程成為了任務調度的基本單位，這些線程都共用進程所持有的資源，線程式控制制塊中存放了寄存器的值、優先順序、線程狀態等信息。
在操作系統層面，線程也有“生老病死”，專業的說法叫有生命周期。雖然不同的開發語言對於操作系統線程進行了不同的封裝，但是對於線程的生命周期這部分，基本上是相通的。每一個線程基本都有如下特征：
- 類似進程，線程也有執行狀態(生命周期),因為線程也是一個執行過程
- 線程的上下文，線程切換時也需要進行保護現場
- 執行棧，保存系統調用時的一些參數和中間結果
- 少量的，線程私有的局部變數的存儲空間，不再擁有大量的存儲空間
- 與進程內其他線程共用的記憶體和資源的訪問
- 線程式控制制塊TCB，存放上下文切換的信息，同PCB
可以看出，對於有生命周期的事物，要學好和掌握它，思路非常簡單，只要能搞懂生命周期中各個節點的狀態轉換機制即可。
線程分類
線程分為用戶級線程(User-Level Thread，ULT)和內核級線程(Kernel-Level Thread，KLT)，內核級線程又叫做輕量級進程(Light-Weight Process，LWP)。
用戶級線程(User-Level Thread，ULT)
在純ULT軟體中，管理線程的所有工作都是應用程式完成，內核意識不到線程的存在，線程完全是由線程庫提供的，創建、銷毀、調度線程、線程間傳遞消息等，還包括保存上下文都是由它管控的，如果可以的話我們自己也可以實現自己的線程庫，只要合理的組織線程即可。
但是用戶級線程所有的活動都發生在用戶空間和一個進程中，系統感知不到用戶級線程的存在，所以系統依舊是以進程的方式調度。
當線程1發生系統調用等阻塞了，此時系統就會認為該進程阻塞了，操作系統會把CPU時間片分配給其他進程，在此期間，根據線程庫維護的數據結構來看，線程1任然處於運行狀態，但在處理器執行的角度，線程2是不處於運行狀態的，也分不到時間片。
這也導致了用戶級線程一旦阻塞，就會阻塞進程中的所有線程，使得其他線程也得不到運行。使用用戶級線程(ULT)如下特點:
優點：
- 所有線程的管理都在一個進程的用戶空間中，線程的切換不需要內核模式特權，不需要系統調用，從而節省了用戶態到內核態轉換的開銷
- 線程的調度更靈活，可以為每個不同的應用程式量身定製更合適的調度演算法，因為這些調度演算法都可以自己實現，不需要更改操作系統底層的調度程式
- ULT可以在任何操作系統下運行，即便是不支持線程的操作系統也能實現，線程庫是供所有應用程式共用的一組應用級函數
缺點：
- 在執行一個系統調用時不僅僅是阻塞當前線程，還會阻塞進程中的所有線程
- ULT不能利用多處理技術，操作系統看不到線程，所以內核一次只能把一個進程分配給一個處理器，因此一個進程中的所有線程不能夠並行執行，只能夠併發執行，相當於一個進程內實現了多道程式設計
解決這兩個問題的方法有：
- 把應用程式寫出多進程程式，但是該方法消除了線程的主要優點
- 套管技術：把產生阻塞的系統調用轉化為一個非阻塞的系統調用
綜上所述，用戶級線程(User-Level Thread，ULT)適合計算密集型的，因為不需要IO操作 ，不會阻塞整個進程。
內核級線程(Kernel-Level Thread，KLT)
在KLT軟體中，管理線程的所有工作均由內核完成，應用級沒有線程管理代碼，只有一個到內核線程的API。
內核為進程級進程內的所有線程維護上下文信息，調度由內核基於線程完成。
該方法剋服了ULT的兩個缺點。首先，內核可以把一個進程中的線程分配個多個處理器中；其次，進程中的某個線程阻塞了，內核還可以調度同一個進程中的其他線程。
缺點是：在把控制權從一個線程傳送到另一個進程的線程時，需要切換到內核模式，開銷較大。
綜上所述，KLT併發性更好，適合I/O操作較多的程式。
混合線程（Hybrid-Approach Thread，HAT）
有些操作系統提供了ULT和KLT的混合體：線程創建完全在用戶空間中完成，線程的調度和同步也在應用程式中進行，一個應用程式中的多個用戶級線程會被映射到一些(小於等於用戶級線數)內核級線程上，進程和線程的比為 N:M，N<=M，ULT中比值為1:N，KLT為1:1
同一個應用程式中的多個線程可在多個處理器上並行的運行，某個引起阻塞的系統調用不會阻塞整個進程。
綜上所述，內核級線程(KLT)和用戶級線程(User-Level Thread，ULT)對比分析如下：
線程生命周期
一個線程的生命周期基本上可以這個“五態模型”來描述，主要分別是：初始狀態、可運行狀態、運行狀態、休眠狀態和終止狀態。其中：
- 初始狀態，指的是線程已經被創建，但是還不允許分配 CPU 執行。這個狀態屬於編程語言特有的，不過這裡所謂的被創建，僅僅是在編程語言層面被創建，而在操作系統層面，真正的線程還沒有創建。
- 可運行狀態，指的是線程可以分配 CPU 執行。在這種狀態下，真正的操作系統線程已經被成功創建了，所以可以分配 CPU 執行。
- 運行狀態：當有空閑的 CPU 時，操作系統會將其分配給一個處於可運行狀態的線程，被分配到 CPU 的線程的狀態就轉換成了運行狀態。
- 休眠狀態：運行狀態的線程如果調用一個阻塞的 API（例如以阻塞方式讀文件）或者等待某個事件（例如條件變數），那麼線程的狀態就會轉換到休眠狀態，同時釋放 CPU 使用權，休眠狀態的線程永遠沒有機會獲得 CPU 使用權。當等待的事件出現了，線程就會從休眠狀態轉換到可運行狀態。
- 終止狀態：線程執行完或者出現異常就會進入終止狀態，終止狀態的線程不會切換到其他任何狀態，進入終止狀態也就意味著線程的生命周期結束。
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