线程是什么

《进程是什么》一节讲到，为了提高 CPU 的利用率，便于分配和回收计算机软、硬件资源，多任务操作系统引入了“进程”这个概念。

多任务操作系统中，执行的每个任务（程序）都是一个进程。借助进程调度程序，操作系统可以同时执行多个进程（又称并发执行），每个进程使用的计算机资源都由操作系统负责分配和回收。因此，您可以这样理解进程，它是多任务操作系统分配和回收计算机资源的基本单位。

注意，虽然多任务操作系统支持多个进程并发执行，但实际场景中，某些并发执行的任务并不适合用多进程的方式实现。例如实现一个可接收多个用户访问请求的 Web 服务器，为了避免用户等待的时间过长，Web 服务器需要并发地处理不同用户发来的请求。

这种情况下，如果以多进程的方式实现该服务器，即为每个用户单独建立一个进程，会产生以下问题：

• 每创建一个进程，都需要占用较多的内存空间。随着访问服务器的用户数量越多，创建的进程数量就越多，可用的内存空间就越少；
• 进程的上下文切换是一个复杂的过程，需要消耗大量的系统资源。

因此，创建的进程越多，系统所做的进程上下文切换的次数就越多，消耗的资源就越多，最终导致服务器可以处理的用户请求数量越少。

为了更高效率地解决此类问题，操作系统在“进程”的基础上，又引入了“线程”这个概念。

什么是线程

线程是进程的一部分，又称轻量级进程，它可以执行所属进程中的部分或者全部代码。

进程是操作系统分配和回收计算机资源的基本单位，而真正负责执行程序的是进程中的线程。一个进程至少拥有 1 个线程（又称单线程进程），也可以拥有多个线程，每个线程负责执行不同的任务（又称为多线程进程）。

进程中的每个线程，都拥有自己的程序计数器、寄存器、和堆栈，它们的功能分别是：

• 程序计数器（Counter）：跟踪要执行的下一条指令；
• 寄存器（Register）：临时存储当前执行的指令需要使用的数据；
• 堆栈（Stack）：简称栈，可以存储函数相互调用的过程以及期间用到的数据（例如形式参数、局部变量等）。

下图为您展示了单线程进程和多线程进程的内部结构：

图 1 线程的内部结构

其中，Data 表示进程的数据区，Files 表示已打开的一些文件资源，它们为整个进程所有，即所有线程共享这些资源。

和每个进程都对应有一个进程控制块（PCB）类似，每个线程也对应有自己的线程控制块（简称 TCB）。TCB 中记录的线程状态数据要比 PCB 少得多。因此创建一个线程消耗的系统资源更少，线程上下文切换的效率更高。

线程的类型

线程的类型有 2 种，分别为用户级线程和系统级线程。

1) 用户级线程

所谓用户级线程，即由用户自己建立的线程，此类线程的管理工作全部由用户自己完成，操作系统只负责管理进程。

为了便于用户管理和使用线程，操作系统提供有一个供用户使用的线程库，借助它，用户可以轻松实现对线程的创建、调度和销毁操作。此外，线程库还提供有线程间通信，线程上下文切换等功能。

注意，用户级线程的上下文切换，仅限于进行线程间的调度，而不会影响 CPU 调度（进程调度）。

2) 系统级线程

系统级线程指的是由操作系统负责管理的线程。操作系统会提供给用户一个调用接口（API），从而使用户可以创建、执行以及销毁线程。

操作系统在负责管理进程调度的同时，还负责管理系统级线程的调度工作。对于同一进程中的多个线程，操作系统可以将其调度到一个 CPU 上并发执行，也可以将其调度到多个 CPU 上并发执行。

对于多用户级线程的进程来说，操作系统只会为该进程分配一个 CPU。

系统级线程上下文切换的效率不如用户级线程，但仍比进程上下文切换的效率高。