第三章 线程

3.1 线程的基本概念

1.什么是线程？为什么要引入线程？

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。引入线程的原因包括：

1. 提高并发性：线程可以独立执行，使得一个程序可以同时执行多个任务，提高程序的并发性能。

2. 资源共享：同一进程内的线程共享进程的资源，如内存和文件描述符，这减少了资源管理的开销。

3. 响应性：线程的创建、切换和销毁比进程更快，可以提供更快的响应时间。

4. 简化编程模型：线程简化了并发编程的模型，使得程序设计更加模块化。

2.引入线程机制后，有什么变化？

1. 资源管理：线程共享进程资源，减少了资源分配和管理的复杂性。

2. 调度：线程的调度通常比进程调度更加频繁，操作系统需要更高效的调度算法。

3. 同步：线程间的同步和通信机制需要更加精细，以避免竞态条件和死锁。

4. 上下文切换：线程的上下文切换比进程的上下文切换开销小。

5. **调度单位：**线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单位。（如打印机，内存地址空间等）

3.线程有哪些重要的属性？

1. 线程ID：唯一标识一个线程。

2. 程序计数器：记录下一条要执行的指令。

3. 寄存器集合：保存线程的当前工作状态。

4. 堆栈：用于存放局部变量和执行函数调用。

5. 状态：线程可以处于不同的状态，如新建、就绪、运行、阻塞、终止等。

3.2 线程的实现方式和多线程模型

1.线程的实现方式

1. 用户级线程（User-Level Threads，ULTs）：

   • 由用户空间的线程库管理，不依赖于操作系统的内核。

   • 调度算法由线程库实现。

   • 上下文切换快，不涉及内核态与用户态的切换。

2. 内核级线程（Kernel-Level Threads，KLTs）：

   • 由操作系统内核管理。

   • 调度由操作系统负责。

   • 可以利用多处理器，但上下文切换开销较大。

2.多线程模型

1. 多对一模型（Many-to-One）：

   • 多个用户级线程映射到一个内核级线程。

   • 优点是线程管理简单，上下文切换快。

   • 缺点是如果一个线程执行系统调用阻塞，整个进程都会被阻塞。

2. 一对一模型（One-to-One）：

   • 每个用户级线程映射到一个内核级线程。

   • 可以利用多处理器，一个线程的阻塞不会影响其他线程。

   • 缺点是创建和管理的开销大。

3. 多对多模型（Many-to-Many）：

   • 多个用户级线程映射到多个内核级线程。

   • 结合了多对一和一对一的优点，提供了更好的并发性和响应性。

   • 管理复杂，需要线程库和内核之间良好的协作。

线程和多线程模型的选择取决于应用程序的需求、目标平台和操作系统的支持。

3.3 线程的状态与转换

线程的状态与转换

线程在其生命周期内可以处于以下几种状态，并且可以在一定条件下相互转换：

1. 新建（New）：

   • 状态描述：当使用 new 关键字创建一个线程后，直到调用 start() 方法之前，线程处于新建状态。

   • 转换条件：调用 start() 方法。

2. 就绪（Runnable）：

   • 状态描述：线程调用 start() 方法后，进入就绪状态。就绪状态的线程位于可运行池中，等待被线程调度器选中获取CPU的执行时间。

   • 转换条件：线程调度器选中该线程。

3. 运行（Running）：

   • 状态描述：线程获得CPU时间，执行程序代码。

   • 转换条件：时间片用完；更高优先级的线程需要运行；线程自己调用 yield() 方法；线程被调度器终止。

4. 阻塞（Blocked）：

   • 状态描述：线程因为某些原因放弃CPU，暂时停止运行。阻塞状态是线程阻塞在进入同步代码块/方法或等待某个条件发生。

   • 转换条件：获取锁；等待的条件成立。

5. 等待（Waiting）：

   • 状态描述：线程等待其他线程执行特定操作（通知）。

   • 转换条件：其他线程发出通知。

6. 超时等待（Timed Waiting）：

   • 状态描述：线程在一定时间内等待另一个线程的通知。

   • 转换条件：时间到达；其他线程发出通知。

7. 终止（Terminated）：

   • 状态描述：线程的 run() 方法执行完成，或者线程调用了 stop() 方法，或者因为一个未捕获的异常导致线程终止。

   • 转换条件：线程执行结束。

线程的组织与控制

线程的组织与控制主要涉及以下几个方面：

• 线程控制块（TCP）：

  • 线程标识符：TID

  • 程序计数器PC：线程目前执行到哪里

  • 其他寄存器：线程运行的中间结果

  • 堆栈指针：堆栈保存函数调用信息，局部变量等

  • 线程运行状态：运行/就绪/阻塞

  • 优先级：线程调度，资源分配参考

1. 线程的创建：

   • 继承 Thread 类并重写 run() 方法。

   • 实现 Runnable 接口的 run() 方法。

   • 使用 Executor 框架创建线程池。

2. 线程的调度：

   • 分时调度：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

   • 抢占式调度：优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，Java 默认采用抢占式调度。

3. 线程的控制：

   • 线程睡眠：Thread.sleep(long millis)，让线程暂停执行指定的时间。

   • 线程让步：Thread.yield()，暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

   • 线程加入：join()，等待其他线程终止。

   • 线程中断：interrupt()，中断线程的阻塞状态。

4. 线程同步：

   • 使用 synchronized 关键字实现同步方法或同步代码块。

   • 使用 Lock 显示锁控制临界区。

5. 线程通信：

   • 使用 Object 类的 wait()、notify()、notifyAll() 方法进行线程通信。

6. 线程池管理：

   • 通过 Executors 工厂类创建不同类型的线程池。

   • 使用 ThreadPoolExecutor 自定义线程池。

线程的正确使用和管理对于提高程序的性能和稳定性至关重要。在多线程编程中，需要注意线程安全、资源共享和合理利用系统资源。