在寫這篇文章之前，對(duì)于很多專業(yè)課里學(xué)過的概念都模糊了，所以特地去把《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（第四版）》這本書翻了出來，重新梳理腦子里快忘完的基礎(chǔ)概念。
在說多線程之前我們先來了解一下進(jìn)程，因?yàn)檫M(jìn)程和線程是密切相關(guān)的，在了解了進(jìn)程之后，可以更好地幫助我們理解線程。
一、進(jìn)程的基本概念
在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，為了提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，通常采用多道程序技術(shù)，將多個(gè)程序同時(shí)裝入內(nèi)存，并使之并發(fā)運(yùn)行，傳統(tǒng)意義上的程序不能再獨(dú)立運(yùn)行。此時(shí)，作為資源分配和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位都是進(jìn)程。操作系統(tǒng)所具有的四大特征也都是基于進(jìn)程而形成的，并從進(jìn)程的角度進(jìn)行研究?？梢姡诓僮飨到y(tǒng)中，進(jìn)程是一個(gè)極其重要的概念。
1、進(jìn)程（或程序）的順序執(zhí)行和并發(fā)執(zhí)行
1.1 程序順序執(zhí)行
通常一個(gè)應(yīng)用程序由若干個(gè)程序段組成，每一個(gè)程序段完成特定的功能，它們?cè)趫?zhí)行時(shí)，都需要按照某種先后次序順序執(zhí)行，僅當(dāng)前一段程序段執(zhí)行完后，才運(yùn)行后一程序段。
例如：
S1: a:=x+y;
S2: b:=a-5;
S3: c:=b+1;
其中，語句S2必須在語句S1后（即a被賦值）才能執(zhí)行，語句S3也只能在b被賦值后才能執(zhí)行，因此，三條語句存在著這樣的前趨關(guān)系：S1-->S2-->S3
由上述可知，在程序順序執(zhí)行時(shí)具有這樣三個(gè)特征：
（1） 順序性：指處理機(jī)嚴(yán)格地按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行，即每一操作必須在下一個(gè)操作開始之前結(jié)束；
（2）封閉性：指程序在封閉的環(huán)境下運(yùn)行，即程序運(yùn)行時(shí)獨(dú)占全機(jī)資源，資源的狀態(tài)（除初始狀態(tài)外）只有本程序才能改變它，程序一旦開始執(zhí)行，其執(zhí)行結(jié)果不受外界因素影響；
（3）可再現(xiàn)性：指只要程序執(zhí)行時(shí)的環(huán)境和初始條件相同，當(dāng)程序重復(fù)執(zhí)行時(shí)，不論他是從頭到尾不停頓執(zhí)行，還是“走走停?！钡貓?zhí)行，都可獲得相同的結(jié)果。程序順序執(zhí)行時(shí)的這種特性，為程序員檢測(cè)和校驗(yàn)程序的錯(cuò)誤帶來了很大的方便。
1.2 程序并發(fā)執(zhí)行
程序順序執(zhí)行時(shí)，雖然可以給程序員帶來方便，但系統(tǒng)資源的利用率卻很低。為此，在系統(tǒng)中引入了多道程序技術(shù)，使程序或程序段間能并發(fā)執(zhí)行。然而并非所有的程序都能并發(fā)執(zhí)行。事實(shí)上，只有不存在前趨關(guān)系的程序之間才有可能并發(fā)執(zhí)行，否則無法并發(fā)執(zhí)行。
例如：
S1: a:=x+2;
S2: b:=y+5;
S3: c:=b+a;
S4: d:=c+b;
通過上面的程序段我們可以看出：S3必須在a和b被賦值后方能執(zhí)行；S4必須在S3之后執(zhí)行；但S1和S2則可以并發(fā)執(zhí)行，因?yàn)樗鼈儽舜嘶ゲ灰蕾嚒?/p>
在引入了程序間的并發(fā)執(zhí)行功能后，雖然提高了系統(tǒng)的吞吐量和資源利用率，但由于它們共享系統(tǒng)資源，以及它們?yōu)橥瓿赏豁?xiàng)任務(wù)而相互合作，致使在這些并發(fā)執(zhí)行的程序之間必將形成相互制約的關(guān)系，由此會(huì)給程序并發(fā)執(zhí)行帶來新的特征。
（1）間斷性：程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)，由于它們共享系統(tǒng)資源，以及為完成同一項(xiàng)任務(wù)而相互合作，致使在這些并發(fā)執(zhí)行的程序之間形成了相互制約的關(guān)系，從而形成“執(zhí)行——暫停——執(zhí)行”這種間斷性的活動(dòng)規(guī)律。
（2）失去封閉性：當(dāng)系統(tǒng)中存在著多個(gè)可以并發(fā)執(zhí)行的程序時(shí)，系統(tǒng)的各種資源就會(huì)被它們共享，而這些資源的狀態(tài)也由這些程序來改變，致使其中任一程序在運(yùn)行時(shí)，其環(huán)境會(huì)受到其它程序的影響。
（3）不可再現(xiàn)性：程序在執(zhí)行并發(fā)時(shí)，由于失去了封閉性，也就將導(dǎo)致其失去可再現(xiàn)性。
2、進(jìn)程的概念
1.進(jìn)程的定義
為了使參與并發(fā)執(zhí)行的每個(gè)程序（含數(shù)據(jù)）都能獨(dú)立地運(yùn)行，在操作系統(tǒng)中必須為之配置一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱之為進(jìn)程控制塊（Progress Control Block,PCB）。系統(tǒng)利用PCB來描述進(jìn)程的基本情況和活動(dòng)過程進(jìn)而控制和管理進(jìn)程。這樣，由程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段和PCB三部分便構(gòu)成了進(jìn)程實(shí)體（又稱進(jìn)程映像）。一般情況下，我們把進(jìn)程實(shí)體簡(jiǎn)稱為進(jìn)程，例如，所謂的創(chuàng)建進(jìn)程就是創(chuàng)建進(jìn)程實(shí)體中的PCB;而撤銷進(jìn)程實(shí)質(zhì)上是撤銷進(jìn)程的PCB。
對(duì)于進(jìn)程的定義，從不同的角度可以有不同的定義，其中較典型的定義有：
（1）進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行。
（2）進(jìn)程是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)。
（3）進(jìn)程是具有獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。
在引入進(jìn)程實(shí)體的概念后，我們可以把傳統(tǒng)OS中的進(jìn)程定義為：“進(jìn)程是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)基本單位?！?/p>
二、線程的基本概念
在20世紀(jì)60年代中期，人們?cè)谠O(shè)計(jì)多道程序OS時(shí)，引入了進(jìn)程的概念，從而解決了在單處理機(jī)環(huán)境下的程序并發(fā)執(zhí)行問題。此后長(zhǎng)達(dá)20年的時(shí)間里，在多道程序OS中一直是以進(jìn)程作為能擁有資源和獨(dú)立調(diào)度（運(yùn)行）的基本單位的。直到80年代中期，人們又提出了比進(jìn)程更小的基本單位——線程的概念，試圖用它來提高程序并發(fā)執(zhí)行的程度，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。特別是在進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，多處理機(jī)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，由于線程能更好地提高程序的并行執(zhí)行程度，因而近幾年推出的多處理機(jī)OS無一例外地都引入了線程，用以改善OS性能。
1.線程的引入
如果說，在OS中引入進(jìn)程的目的是為了使多個(gè)程序能并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，在操作系統(tǒng)中再引入線程，則是為了減少程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的時(shí)空開銷，使OS具有更好的并發(fā)性。
2.線程與進(jìn)程的比較
由于線程具有許多傳統(tǒng)進(jìn)程所具有的特征，所以又稱之為輕型進(jìn)程（Light-Weight-Process）或進(jìn)程元，相應(yīng)地，把傳統(tǒng)進(jìn)程稱之為重型進(jìn)程（Heavy-Weight-Process）。它相當(dāng)于只有一個(gè)線程的任務(wù)。
（1）調(diào)度的基本單位
在傳統(tǒng)的OS中，進(jìn)程是作為獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，因而進(jìn)程是獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。在每次被調(diào)度時(shí)，都需要進(jìn)行上下文切換，開銷較大。而在引入線程的OS中，已把線程作為調(diào)度和分配的基本單位，因而線程是能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。當(dāng)線程切換時(shí)，僅需設(shè)置和保存少量寄存器內(nèi)容，切換代價(jià)遠(yuǎn)低于進(jìn)程。在同一進(jìn)程中，線程的切換不會(huì)引起進(jìn)程的切換，但從一個(gè)進(jìn)程中的線程切換到另一個(gè)進(jìn)程中的線程時(shí)，必然就會(huì)引起進(jìn)程的切換。
（2）并發(fā)性
在引入線程的OS中，不僅進(jìn)程直接可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程之間亦可并發(fā)執(zhí)行，甚至還允許在一個(gè)進(jìn)程中的所有現(xiàn)場(chǎng)都能并發(fā)執(zhí)行。同樣，不同進(jìn)程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行。這使得OS具有更好的并發(fā)性，從而能更加有效地提高系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)的吞吐量。
（3）擁有資源
進(jìn)程可以擁有資源，并作為系統(tǒng)中擁有資源的一個(gè)基本單位。然而，線程本身并不擁有系統(tǒng)資源，而是僅有一點(diǎn)必不可少的，能保證獨(dú)立運(yùn)行的資源。比如，在每個(gè)線程中都保留局部變量。少數(shù)狀態(tài)參數(shù)和返回地址等的一組寄存器和堆棧。
線程除了擁有自己的少量資源外，還允許多個(gè)線程共享該進(jìn)程所擁有的資源，這首先表現(xiàn)在：屬于同一進(jìn)程的所有線程都具有相同的地址空間，這意味著，線程可以訪問該地址空間中的每一個(gè)虛地址；此外，還可以訪問進(jìn)程所擁有的資源，如已打開的文件、定時(shí)器、信號(hào)量機(jī)構(gòu)等的內(nèi)存空間和它所申請(qǐng)到的I/O設(shè)備等。
（4）獨(dú)立性
在同一進(jìn)程中的不同線程之間的獨(dú)立性要比不同進(jìn)程之間的獨(dú)立性低得多。這是因?yàn)椋瑸榉乐惯M(jìn)城之間彼此干擾和破壞，每個(gè)進(jìn)程都擁有一個(gè)獨(dú)立的地址空間和其它資源，除了共享全局變量以外，不允許其它進(jìn)程的訪問。但是同一進(jìn)程中的不同線程往往是為了提高并發(fā)性以及進(jìn)行相互之間的合作而創(chuàng)建的，它們共享進(jìn)程的內(nèi)存地址空間和資源，如每個(gè)線程都可以訪問他們所屬進(jìn)程地址空間中的所有地址，如一個(gè)線程的堆?？梢员黄渌€程讀、寫，甚至完全清除。由一個(gè)線程打開的文件可以供其它線程讀、寫。
（5）系統(tǒng)開銷
在創(chuàng)建或撤銷進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)都要為之分配和回收進(jìn)程控制塊、分配或回收其他資源，如內(nèi)存空間和I/O設(shè)備等。OS為此所付出的開銷，明顯大于線程創(chuàng)建或撤銷時(shí)所付出的開銷。類似地，在進(jìn)程切換時(shí)，涉及到進(jìn)程上下文的切換，而現(xiàn)成的切換代價(jià)也遠(yuǎn)低于進(jìn)程的。
（6）多處理機(jī)系統(tǒng)
在多處理機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)于傳統(tǒng)的進(jìn)程，即單線程進(jìn)程，不管有多處理機(jī)，該進(jìn)程只能運(yùn)行在一個(gè)處理機(jī)上。單對(duì)于多線程進(jìn)程，就可以將一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程分配到多個(gè)處理機(jī)上，是它們并行執(zhí)行，這無疑將加速進(jìn)程的完成。因此，現(xiàn)代多處理機(jī)OS都無一例外地引入了多線程。
