线程与进程基础

本篇主要摘自《程序员自我修养–链接、装载与库》第1.6节 众人拾柴火焰高 部分。

线程基础

线程（Thread），也称轻量级进程（Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准线程由线程ID，当前指令指针（PC），寄存器集合和堆栈组成。
通常意义上，一个进程由一个或多个线程组成，各线程之间共享程序的内存空间（包括代码段、数据段、堆等）以及进程级的资源（如打开文件和信号）。

一个经典的线程与进程的关系如图所示

线程的访问非常自由，它可以访问进程内存里的所有数据，甚至包括其他线程的堆栈（如果它知道其他的堆栈地址，那么就是很少见的情况），但实际运用中线程也拥有自己的私有存储空间，包括以下几个方面：

从C程序员的角度来看，数据在线程之间是否私有如表所示：

无论是单处理器还是多处理器，线程总是“并发”执行的，在线程数量少于处理器数量时，各个线程运行在不同的处理器上，互不干扰，但是当线程数量多于处理器数量时，线程的并发会受到阻碍，因为一个处理器上要运行多个线程。
当一个处理器上要处理多个线程时，操作系统会让这些多线程程序轮流执行，每一次执行很少时间，这样每个线程看起来是同时进行的，这样的一个在处理器上切换不同的线程的行为叫做线程调度。
在线程调度中，线程拥有三种状态：
- 运行（Running）：此时线程正在执行
- 就绪（Ready）：此时线程可以立即运行，但CPU已经被占用。
- 等待（waiting）：此时线程正在等待某一事件（通常是I/O或同步）发生，无法执行
处于运行中的线程拥有一段可以执行的时间，这段时间被称为时间片（Time Slice）。
- 如果时间片用尽时，该线程进入就绪状态。
- 如果在时间片用尽之前线程就开始等待某事件，该线程进入等待状态。
- 当一个线程离开运行状态时，调度系统选择一个就绪线程继续执行。
- 当处于等待状态的线程所等待的事件发生后，该线程进入就绪状态。

线程调度的方法主要是线程优先级调度，优先级调度决定线程按照什么样的顺序轮流执行，在线程优先级调度的系统中，每个线程都有自己的优先级，优先级高的线程会更早执行，线程优先级决定本线程被执行的早或迟。
在线程优先级调度的环境下，线程的优先级被改变有三种方式：
- 1、用户指定优先级。
- 2、根据进入等待状态的频繁程度提升或降低优先级，进入等待状态越频繁，说明线程占用处理器很短时间，这样的线程称之为IO密集型线程，进入等待时间少的线程称之为CPU密集型线程，IO密集型线程比CPU密集型线程容易得到优先级的提升。
- 3、长时间得不到执行的线程，操作系统会提升其优先级。