线程 📖 Wikipedia

在现代操作系统中，进程是资源分配的基本单位，而线程是CPU调度和执行的基本单位^[1]。同一进程内的多个线程共享该进程的虚拟地址空间、全局变量、打开的文件描述符等资源，但每个线程拥有独立的程序计数器、寄存器组和栈。

与创建新进程相比，创建线程的开销显著更小，因为线程不需要复制整个地址空间。同一进程内的线程之间切换也比进程切换更快，因为不需要切换地址空间和刷新TLB。这些特性使得线程成为实现并发计算的主要手段。

引入多线程的主要动机包括^[1]：

• 响应性：在GUI应用中，将耗时操作放在后台线程执行，可以避免主线程（UI线程）被阻塞，保持界面对用户操作的响应。
• 资源共享：同一进程内的线程天然共享内存和文件等资源，无需借助IPC机制，编程模型更简单。
• 经济性：线程的创建、销毁和上下文切换的开销远小于进程。
• 可扩展性：多线程程序可以在多核处理器上实现真正的并行执行，充分利用硬件资源。

根据线程的管理者是用户空间还是内核，线程的实现可分为以下几种模型^[1]：

用户级线程完全在用户空间由线程库管理，内核对其存在毫不知情。优点是线程切换不需要陷入内核态，速度快；缺点是当一个用户级线程执行阻塞性系统调用时，整个进程（包括其中所有线程）都会被阻塞。

内核级线程由操作系统内核直接管理和调度。每个线程都是内核的调度单位，一个线程阻塞不影响同一进程中的其他线程。缺点是线程的创建和切换需要系统调用，开销比用户级线程大。现代主流操作系统（Linux、Windows、macOS）均原生支持内核级线程。

某些系统采用多对多模型（M:N模型），将 ${\displaystyle M}$  个用户级线程映射到 ${\displaystyle N}$  个内核级线程上（${\displaystyle M\geq N}$ ）。这种模型兼顾了用户级线程的轻量性和内核级线程的并发能力。Go语言的Goroutine采用的就是这种模型的变体。

由于同一进程内的线程共享地址空间，多个线程同时访问共享数据时可能产生竞争条件，导致程序行为不可预测。为此，操作系统和编程语言提供了多种同步机制^[1]：

• 互斥锁：保证在任一时刻只有一个线程能进入临界区。
• 信号量：广义的互斥锁，允许最多 ${\displaystyle n}$  个线程同时访问资源。
• 条件变量：允许线程在特定条件不满足时挂起等待，条件满足时被唤醒。
• 读写锁：允许多个读线程并发访问，但写线程必须独占。
• 自旋锁：线程在等待锁时不挂起而是循环检测，适用于锁持有时间极短的场景。

不当使用同步机制可能导致死锁（两个或多个线程互相等待对方释放锁）、活锁（线程不断重试但无法推进）或优先级反转等问题。

如果一个函数或代码段在多线程环境下可以被安全地并发调用，则称其为线程安全的。实现线程安全的常见策略包括使用同步原语保护共享数据、使用线程局部存储以及设计无状态或不可变的数据结构。

執行緒有四種基本狀態，分別為：

• 產生（spawn）
• 阻塞（block）
• 非阻塞（unblock）
• 結束（finish）

• 线程内核对象(thread kernel object)
• 线程环境块(thread environment block, TEB)
• 用户模式栈(user-mode stack)（unblock）
• 内核模式栈(kernal-mode stack)(thread environment block, TEB)
• DLL线程连接(attach)和线程分离(detach)通知(kernal-mode stack)

SUN Solaris操作系统使用的线程叫做UNIX International线程，支持内核线程、轻权进程和用户线程。一个进程可有大量用户线程；大量用户线程复用少量的轻权进程，轻权进程与内核线程一一对应。用户级线程在调用核心服务时（如文件读写），需要“捆绑（bound）”在一个LWP上。永久捆绑（一个LWP固定被一个用户级线程占用，该LWP移到LWP池之外）和临时捆绑（从LWP池中临时分配一个未被占用的LWP）。在调用系统服务时，如果所有LWP已被其他用户级线程所占用（捆绑），则该线程阻塞直到有可用的LWP。如果LWP执行系统线程时阻塞（如read()调用），则当前捆绑在LWP上的用户级线程也阻塞。

UNIX International线程的头文件是<thread.h>。^[2]

int thr_create(void * stack_base, size_t stack_size, void *(*start_routine，void *), void * arg, long flags, thread_t * new_thr);

其中flags包括：THR_BOUND（永久捆绑）, THR_NEW_LWP（创建新LWP放入LWP池），若两者同时指定则创建两个新LWP，一个永久捆绑而另一个放入LWP池。

int thr_join(thread_t wait_for, thread_t *dead, void **status);

int thr_suspend(thread_t thr);

int thr_continue(thread_t thr);

void thr_exit(void *status);

thread_t thr_self( void );

POSIX线程（POSIX threads），简称Pthreads，是线程的POSIX标准。该标准定义了创建和操纵线程的一整套API。在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用Pthreads作为操作系统的线程^[3][4][5]。Windows操作系统也有其移植版pthreads-win32^[6]。

Pthreads线程的头文件是<pthread.h>。^[7][8]

int pthread_create(pthread_t * thread, const pthread_attr_t * attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

int pthread_join(pthread_t thread, void ** retval);

void pthread_exit(void *retval);

pthread_t pthread_self(void);

int pthread_cancel(pthread_t thread);

Win32线程是Windows API的一部分，上下文包括：寄存器、核心栈、线程环境块和用户栈。

Win32线程的头文件是<Windows.h>，仅适用于Windows操作系统。^[9]

HANDLE WINAPI CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, SIZE_T dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, DWORD dwCreationFlags, LPDWORD lpThreadId);

VOID WINAPI ExitThread(DWORD dwExitCode);

DWORD WINAPI SuspendThread( HANDLE hThread );

DWORD WINAPI ResumeThread(HANDLE hThread);

DWORD WINAPI WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);

DWORD WINAPI GetCurrentThreadId(void);

HANDLE WINAPI GetCurrentThread(void);

2011年8月12日，国际标准化组织（ISO）发布了第三个C++标准，即ISO/IEC 14882:2011，简称ISO C++ 11标准。该标准第一次把线程的概念引入C++标准库。Windows平台运行的VS2012和Linux平台运行的g++4.7，都完美支持C++11线程。

C++ 11线程的头文件是<thread>。^[10]

std::thread::thread(Function&& f, Args&&... args);

std::thread::join();

std::thread::detach();

std::thread::swap(thread& other);

2011年12月8日，国际标准化组织（ISO）发布了第三个C语言标准，即ISO 9899:2011，简称ISO C 11标准。该标准第一次把线程的概念引入C语言标准库。

C11线程仅仅是个“建议标准”，也就是说100%遵守C11标准的C编译器是可以不支持C11线程的。根据C11标准的规定，只要编译器预定义了 __STDC_NO_THREADS__(C11)，就可以没有<threads.h>头文件，自然也就也没有下列函数。

C11线程的头文件是<threads.h>。^[11]

int thrd_create(thrd_t *thr, thrd_start_t func, void *arg);

_Noreturn void thrd_exit( int res );

int thrd_join(thrd_t thr, int *res);

thrd_t thrd_current();

1. 最简单的情况是，Thread/Runnable的run()方法运行完毕，自行终止。
2. 对于更复杂的情况，比如有循环，则可以增加终止标记变量和任务终止的检查点。
3. 最常见的情况，也是为了解决阻塞不能执行检查点的问题，用中断来结束线程，但中断只是请求，并不能完全保证线程被终止，需要执行线程协同处理。
4. IO阻塞和等锁情况下需要通过特殊方式进行处理。
5. 使用Future类的cancel()方法调用。
6. 调用线程池执行器的shutdown()和shutdownNow()方法。
7. 守护线程会在非守护线程都结束时自动终止。
8. Thread有stop()方法，但已不推荐使用。

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