【线程】线程的概念

本文重点：

了解线程概念，理解线程与进程区别与联系

线程的概念

线程是进程内的一个执行分支，执行粒度要比进程细

乍一看，肯定不懂，太抽象了，怎么理解呢？

以前讲的进程，每个进程都会有自己独立的结构体和地址空间，虚拟地址通过页表映射到物理内存里 

假如现在有很多个结构体task_struct指向这个地址空间，通过同一个页表映射到物理内存，这几个结构体就相当于不同的执行流，理解为线程，这些执行流共享这些资源，通过执行代码的不同部分来运行代码，红色款圈起来的就是进程

重新理解进程和线程

进程是承担分配系统资源的基本实体（以前说进程是内核数据结构+代码和数据），线程是操作系统调度的基本单位，线程是进程内部的执行流资源，地址空间是进程的资源窗口，操作系统以进程为单位给我们分配资源，进程内部有很多个执行流来共享这部分资源的一部分

以前我们一直说的进程，只有一个结构体task_struct，那是一个单线程单执行流

在CPU看来，没有进程和线程之分，CPU只有调度执行流的的概念

Linux系统管理线程的方案

那有那么多线程，肯定是需要管理的啊，以前讲的进程管理，就是先描述，再组织，那么线程也一样，Linux系统的设计者就这样想，线程是在进程内部执行的，线程在进程的地址空间上运行的，线程执行代码的一部分，所以也给线程们同样的结构体task_struck来描述，它们就以这样的结构体管理起来了。Windows系统对于线程的管理不是这样，它用了另一个结构体struct tcb 来描述线程，结构体task_struct来描述进程，这样它们管理这些进程，线程，以及它们之间的关系就会很复杂。总的来说Linux系统的设计更简单一点

线程小于等于执行流，执行流小于等于进程，Linux中的执行流，也叫做轻量型进程

谈谈地址空间----页表映射

以前我们说的进程地址空间就是虚拟地址，通过页表映射到物理内存，但是我们一直不知道页表是如何映射到物理内存的呢？页表的地址会被加载到CPU内的一个寄存器CR3，通过这个地址就可以找到进程对应的页表，当我们申请物理内存时，都是以4KB的大小来申请的，这个是操作系统设计成这样的

虚拟地址是如何转换到物理地址的呢？以32位虚拟地址为例

虚拟地址是32位，把它划分为三个部分，10位+10位+12位，每一部分都有对应的作用

页表有两部分，一部分是项目录，一部分是二级页表，项目录里保存的是二级页表的地址，二级页表保存的是页框的起始地址，虚拟地址的前10位，用来找到项目录里的哪个表项，中间10位，用来找二级页表里的哪个表项，最后12 位计算的是在物理内存的偏移量。用10位比特位说明项目录二级页表表项有1024个，用12位是刚刚好符合物理内存划分为很多个块，每个块是4KB，这样算出的偏移量就不会超过这个大小。其实每个页表里还会有一部分来说明权限其他问题的，我们不说

一个进程是不会把进程空间全部用完的，也就是说项目录里的表项没有全部填满，对应的二级页表也就没有1024个，这样页表用的空间就没有那么大

int a =10;int 是四个字节，应该有四个地址，但是我们取地址，只有1个地址，是因为操作系统通过类型就可以计算出偏移量，也就知道这个整型变量的位置，起始地址+类型=起始地址+偏移量（x86的特点），也就很好说明了上面说的偏移量了

如何理解资源分配给线程？

线程目前分配资源，本质是分配地址空间的范围

线程的轻量化

线程比进程更加轻量化，为什么？

1.创建和释放轻量化

2.切换轻量化

CPU中有个硬件级别的缓存cache，这个缓存放的是进程常访问的数据，也就是热数据，当线程在切换时，是不需要重新加载数据到这个缓存里，因为线程共享了进程的资源，而进程在切换时，整个的热数据就要被重新加载 ，所以线程的切换更轻量化

线程的优点

1.创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
2.与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
3.线程占用的资源要比进程少很多
4.能充分利用多处理器的可并行数量
5.在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
6.计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
7.I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作

线程的缺点

1.性能损失
一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。
2.健壮性降低
编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。
3.缺乏访问控制
进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。
4.编程难度提高
编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多

线程异常
单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃
线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出
线程用途
合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率
合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）

进程VS线程

进程是资源分配的基本单位
线程是调度的基本单位
线程共享进程数据，但也拥有自己独自的一部分数据:
线程ID
一组寄存器（线程上下文）
栈
errno
信号屏蔽字
调度优先级

进程的多个线程共享 同一地址空间,因此Text Segment、Data Segment都是共享的,如果定义一个函数,在各线程中都可以调用,如果定义一个全局变量,在各线程中都可以访问到,除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境:
文件描述符表
每种信号的处理方式(SIG_ IGN、SIG_ DFL或者自定义的信号处理函数)
当前工作目录
用户id和组id

进程和线程的关系如下图：