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线程的概念

news 2025/12/2 23:29:51

序言

在之前的文章中，我们介绍了进程的概念，在该文章中我们提到了 进程 = PCB + 代码数据，这只是进程的组成，并不是真正进程的概念！因为只是单独介绍概念不结合今天的主角线程，可能不是那么容易理解。
在这篇文章中，我们将介绍 线程，让大家理解进程和线程之间的区别，联系，以及简单的线程控制。

1. 再看进程

1.1 回顾进程

进程是程序在操作系统的一次执行过程，当一个程序被加载到内存中并由操作系统执行时，它就成为了一个进程。 但是进程！= 代码和数据，为了更好地管理所有需要执行的程序，创建了一个包含了自身信息的结构体，叫做 PCB 进程控制块。所以说，进程 = PCB + 代码数据。

1.2 进程的新概念

除了上述的我们已经知道的，现在我们还需要知道 进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。简而言之，进程是程序执行时的一个实例，是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。
我们怎么来理解这句话呢，我们想一下，操作系统通过进程来管理和控制各种资源的使用。系统通过为每个进程分配适当的资源（如CPU时间、内存空间、文件、I/O设备等），确保进程能够正常运行。同时，系统还通过一系列的控制机制（如进程同步、互斥、通信等）来协调进程间的资源使用和竞争，以维持系统的稳定性和性能。

2. 线程

2.1 线程的概念

线程是进程中的一个实体，是 CPU 调度和分派的基本单位，它是 进程中的实际运作单位。线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器、一组寄存器和栈），但它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。
大家在这里可能有一点蒙圈，我们在运行程序时，都是说该程序是以进程的形式存在于内存中，怎么变成线程去执行我们的程序呢？给大家举个例子吧，有两个公司，其中一个是小公司，业务逻辑非常简单，只需要一个人执行就完全没问题了（这里只是例子，笔者也不知道有没有一个人的公司哈哈），而另一个是大公司，业务逻辑非常复杂，于是创建了许多部门，每一个部门的业务都不同，但是所有部门的联合才造就了公司的正常运行！！！
所以，我们之前写的程序就类似于第一个公司，我们的进程中只包含一个线程（也称执行流），但是确实存在一些复杂的程序，需要多线程（多个执行流）完成任务。

2.1 多线程的特点

多个线程工作时，同在一个屋檐下（在同一个进程中），操作系统中为了更好的管理所有的进程创建了 PCB，存储进程相关的信息。所以一样的，为了更好的管理线程，创建了 线程控制块 TCB 来管理线程。
多线程工作时，具有以下特点：

1. 并发性

同时执行：多线程能够使得程序中的多个任务并行执行，而不是顺序执行。这意味着在同一时间内，CPU 可以交替地 执行多个线程中的指令，从而 提高了程序的并发性。
资源共享：多线程共享进程的地址空间和资源，这使得线程间的通信和数据共享变得更为方便和高效。在这里罗列一下什么资源会共享，而哪些不共享：

资源类型	描述	是否共享
代码区	编译后的可执行机器指令	是
数据区	全局变量和静态变量	是
堆区	动态分配的内存区域（逻辑上共享，实际需同步保护）	是
栈区	存储局部变量、函数调用参数和返回值	否
寄存器	存储中间结果和状态信息	否
程序计数器	记录线程当前执行的指令地址	否
调度优先级	控制线程的执行优先级	否
文件描述符	访问打开文件的标识符	是
文件访问权限	访问文件的权限	是
系统资源（如共享内存段）	根据资源类型和配置，可能共享也可能不共享	是
环境变量	进程的环境设置	是
命令行参数	启动进程时传递的参数	是

2. 独立性

独立调度：在操作系统中，线程是独立调度的基本单位。每个线程都有自己的执行流和生命周期，可以独立地被创建、执行、暂停和终止。
独立堆栈：每个线程都有自己独立的堆栈空间，用于存储局部变量和调用栈等信息。这保证了线程间的独立性，避免了数据混淆和冲突。

2.3 Linux 上的线程

不同系统上，实现线程的方式各有差异，在这里我们介绍在 Linux 上的线程。
其实在 Linux 系统上，并不存在真正意义上的线程‌，这是因为Linux中的线程实际上是通过模拟进程来实现的，被称为 轻量级进程。
为什么这样做呢？在 Linux 中，线程和进程都使用相同的内核数据结构（task_struct）来表示（以统一的视角看待进程线程），这使得 线程和进程在内核中具有高度的统一性。这种设计简化了内核的实现，因为它不需要为线程和进程分别维护不同的 数据结构和管理机制。（说白了，这种方式省时又省事！！！）多个线程共享一个进程地址空间，所以又叫做 轻量级进程。

3. 多进程 PK 多线程

在之前的学习中，我们知道我们也可以使用多进程处理业务逻辑比较复杂的任务，那这两者的区别，优劣是什么呢？

3.1 优点

1. 多进程的优点

独立性：每个进程都有独立的内存空间和系统资源，如文件描述符、网络连接等。这种独立性使得 一个进程的崩溃不会影响其他进程的运行，从而提高了系统的稳定性和可靠性。
安全性：由于进程间的内存和资源相互隔离，一个进程中的错误或异常操作很难影响到其他进程，这增强了系统的安全性。
可扩展性：多进程可以更好地利用多核处理器的优势，每个进程可以在不同的CPU核心上运行，实现真正的并行计算，提高程序的执行效率。

2. 多线程的优点

资源共享：同一进程内的所有线程共享该进程的内存空间和系统资源，这使得线程间的数据交换和通信更加方便和高效。
切换开销小：线程之间的切换相对于进程来说开销较小，因为线程只需要保存和恢复少量的上下文信息（如栈指针、程序计数器等）。
响应速度快：多线程可以实现并发处理，能够更快地响应用户的请求，提高系统的交互性能。
编程简单：相对于多进程编程，多线程编程的复杂性较低，因为同一进程内的线程可以直接共享数据，通信和同步更加方便。

3.2 缺点

1. 多进程缺点

资源消耗：每个进程都需要独立的内存空间和系统资源，这会导致系统资源的浪费。当进程数量过多时，系统资源可能不足以支持所有进程的运行。
切换开销：进程之间的切换需要保存和恢复大量的上下文信息，包括程序计数器、寄存器、栈等，这会导致较大的切换开销，影响程序的执行效率。
-通信开销：进程间通信（IPC）通常比较复杂且开销较大，需要使用特定的机制（如管道、消息队列、共享内存等）来实现，增加了编程的复杂性和运行时的开销。

2. 多线程缺点

数据安全问题：多个线程同时访问 共享数据时可能会引发数据竞争和不一致的问题，需要使用同步机制（如锁、信号量等）来保证数据的安全性，但这也可能导致死锁和性能下降等问题。
调试和测试困难：多线程程序的调试和测试相对复杂，因为多个线程同时运行，线程之间的交互和状态变化较为复杂，导致问题的追踪和定位更加困难。
健壮性差：当多个线程同时工作时，如果一个线程因为某种原因崩溃，会使整个进程被终止，总之一个线程中的错误或异常操作会影响到其他线程。