7.2 线程与并发

线程（Thread）是CPU调度的基本单位，是进程中的一个执行流。多线程技术让一个进程可以同时执行多个任务，充分利用多核CPU的性能，是现代并发编程的基础。

为什么需要线程

早期的操作系统只有进程的概念，每个进程有独立的地址空间，进程之间切换开销很大。随着多核CPU的出现，人们需要一种更轻量的执行单元，能够在同一个进程内并发执行，共享进程的资源，减少切换开销，线程就应运而生了。

相比多进程，多线程有以下优势：

1. 创建和切换开销小：线程的创建、销毁、切换比进程快很多，因为线程共享进程的地址空间和资源，不需要重新分配资源
2. 通信方便：同一个进程内的线程共享同一块地址空间，可以直接通过全局变量、堆内存通信，不需要复杂的进程间通信机制
3. 资源利用率高：一个进程内的多个线程可以共享进程的内存、文件句柄等资源，不需要重复分配
4. 充分利用多核CPU：多线程可以在多个CPU核心上并行执行，提升程序性能

什么是线程

线程是进程中的一个执行流，是CPU调度和分派的基本单位。

• 一个进程可以包含多个线程，至少有一个主线程
• 同一个进程内的所有线程共享进程的地址空间和资源
• 每个线程有自己独立的栈、寄存器上下文、线程本地存储（TLS）

进程和线程的区别

例子：你打开一个浏览器进程，浏览器会有多个线程：一个线程渲染页面，一个线程处理用户输入，一个线程下载资源，多个线程同时工作，提升用户体验。如果每个任务都开一个进程，开销会非常大。

线程的实现模型

线程的实现有三种模型：用户级线程、内核级线程、混合型线程。

1. 用户级线程（User-Level Thread, ULT）

用户级线程完全在用户态实现，由用户态的线程库管理，操作系统内核感知不到线程的存在。

• 优点：
  • 线程切换不需要内核参与，开销极小，速度快
  • 调度可以由应用程序自己控制，更灵活
  • 不需要内核支持，可以在不支持线程的操作系统上实现
• 缺点：
  • 内核不知道线程的存在，如果一个线程发起阻塞的系统调用（比如read文件），整个进程都会被阻塞，其他线程也无法执行
  • 无法真正利用多核CPU，操作系统调度的单位是进程，同一个进程的多个线程只能在同一个核心上交替执行
• 现在纯用户级线程已经很少使用了，早期的协程就是用户级线程的一种。

2. 内核级线程（Kernel-Level Thread, KLT）

内核级线程由操作系统内核管理，内核负责线程的调度和切换。

• 优点：
  • 线程的调度由内核负责，如果一个线程阻塞，其他线程还可以继续执行
  • 可以真正利用多核CPU，同一个进程的多个线程可以同时在不同的核心上并行执行
  • 内核提供完整的线程功能，支持复杂的调度策略
• 缺点：
  • 线程切换需要内核参与，开销比用户级线程大
  • 频繁的线程切换会消耗大量CPU资源
• 现在主流操作系统的线程实现都是内核级线程，比如Linux的pthread，Windows的线程。

3. 混合型线程（N:M模型）

混合型线程结合了用户级线程和内核级线程的优点，用户态的多个用户级线程映射到内核的多个内核级线程上。

• 优点：
  • 兼顾用户级线程的低切换开销和内核级线程的并发性
  • 用户级线程切换开销小，内核级线程可以利用多核CPU
• 缺点：实现复杂，需要用户态和内核态之间的协调
• Go语言的goroutine调度就是N:M模型的实现，M个内核线程上运行G个goroutine，通过Go runtime调度。

上下文切换

上下文切换（Context Switch）是指CPU从一个进程/线程切换到另一个进程/线程执行的过程。

上下文切换的过程

1. 保存当前进程/线程的上下文（程序计数器、寄存器的值、栈指针等）到PCB/TCB中
2. 加载下一个要执行的进程/线程的上下文，恢复寄存器的值
3. 跳转到程序计数器指向的位置，继续执行

上下文切换的开销

上下文切换有一定的开销，主要包括：

1. 直接开销：保存和恢复寄存器、切换页表、刷新缓存等操作的CPU时间
2. 间接开销：切换后CPU缓存失效，需要重新从内存加载数据，缓存命中率下降，导致程序执行变慢

线程切换的开销比进程切换小很多，因为线程不需要切换地址空间和页表，只需要切换寄存器和栈。

什么时候会发生上下文切换

1. 进程/线程的时间片用完了
2. 高优先级的进程/线程抢占CPU
3. 进程/线程发起阻塞的系统调用（IO、锁、信号等），主动让出CPU
4. 中断发生时

注意：过多的上下文切换会消耗大量CPU时间，降低系统性能。比如创建太多线程，会导致频繁的上下文切换，CPU大部分时间都花在切换上，真正执行任务的时间反而很少。

并发 vs 并行

并发（Concurrency）

并发是指多个任务在宏观上同时进行，微观上可能是交替执行的。比如单核CPU上运行多个进程，快速切换，让用户感觉多个程序同时在运行，这就是并发。

并行（Parallelism）

并行是指多个任务在物理上同时执行，需要多核CPU的支持，多个核心同时执行不同的任务。

区别：

• 并发是逻辑上的同时发生，并行是物理上的同时发生
• 单核CPU只能实现并发，不能实现并行
• 多核CPU可以同时实现并发和并行

多线程的性能收益

• CPU密集型任务：计算密集型任务，多线程可以并行执行，加速比接近核心数，理论上n核CPU可以提升n倍性能
• IO密集型任务：IO密集型任务大部分时间在等待IO，多线程可以在等待的时候切换执行其他任务，提升系统吞吐量，即使是单核CPU也能通过多线程提升性能

常见的线程模型

1. 一对一模型（1:1）

一个用户级线程对应一个内核级线程，是现在主流操作系统使用的模型，比如Linux的pthread，Windows的线程。

• 优点：实现简单，支持真正的并行，一个线程阻塞不影响其他线程
• 缺点：线程切换开销较大，线程数量不能太多，通常最多几千个线程

2. 多对多模型（N:M）

N个用户级线程映射到M个内核级线程，比如Go语言的goroutine，Erlang的进程。

• 优点：切换开销小，可以支持大量的并发（几十万甚至上百万），兼顾并发性和性能
• 缺点：实现复杂，需要用户态调度器的支持

3. 多对一模型（N:1）

N个用户级线程映射到1个内核级线程，也就是纯用户级线程，现在很少使用。

线程的组成

每个线程有自己独立的资源：

1. 线程栈：每个线程有独立的栈，存储函数调用栈、局部变量，默认大小通常是1MB-8MB
2. 寄存器上下文：程序计数器、栈指针、通用寄存器的值，线程切换时保存和恢复
3. 线程ID（TID）：每个线程有唯一的标识
4. 线程本地存储（TLS）：线程私有的全局变量，每个线程有独立的副本，其他线程访问不到
5. 信号掩码：线程可以独立屏蔽某些信号

同一个进程内的线程共享以下资源：

1. 进程的地址空间（代码段、数据段、堆、共享库等）
2. 进程打开的文件描述符、Socket
3. 进程的用户ID、组ID
4. 信号处理函数
5. 进程的当前工作目录

思考问题

1. 进程和线程有什么区别？什么时候应该用多进程，什么时候应该用多线程？
2. 上下文切换的开销主要来自哪里？为什么线程切换比进程切换快？
3. 并发和并行有什么区别？单核CPU可以实现并行吗？
4. 用户级线程和内核级线程各有什么优缺点？现在主流的实现是哪种？