java學習：什麼是線程？最詳細的解釋

什麼是線程：有時也被成為輕量級進程，是程式執行流的最小單元。

一個標準的線程是由線程ID，當前指令指標（PC）、寄存器集合和堆棧組成。

一個進程是由一個到多個線程組成，各個線程之間共用程式的記憶體空間（包括程式碼片段，資料區段的堆等）及一些進程級的資源（如開啟檔案和訊號）

多個線程可以互不干擾的並發執行，並共用進程的全域變數和堆的資料；

線程的存取權限

線程的存取權限非常自由，可以訪問進程記憶體裡的所有資料；

線程調度與優先順序

單一處理器對應多線程：作業系統讓這些多線程輪流執行，每次僅執行一小段時間（通常是幾十秒），這樣每個線程“看起來”就像是在同時執行；這樣的一個處理器上不斷切換線程的操作成為“線程調度”

線程調度中的三種狀態：

（1）：運行，此時線程正在運行

（2）：就緒，此時線程可以立即運行，但CPU已被佔用

（3）：等待，此時線程正在等待某一事件發生，無法執行

每當一個程式離開運行狀態，調度系統就會選擇一個就緒的線程運行；一個在等待狀態的線程事件發生以後進入就緒狀態。

在優先順序調度的情況下，線程優先順序的改變一般有三種方式：

使用者指定優先順序；

根據進入等待狀態的頻繁程度提升或降低優先順序；

長時間得不到執行而被提升優先順序；

Linux的多線程

在Linux下，可以用以下三個方法建立一個新的任務：

（1）fork：複製當前進程

（2）exec：使用新的可執行映像覆蓋當前可執行映像

（3）clone：建立子進程，並從指定位置開始執行；

fork：

pid_t pid;

if(pid==fork()){…}

在fork調用以後，新的任務啟動並和本任務一起從fork函數返回，但不同的是本任務的fork將返回新任務的pid,而新任務的fork將返回0；

fork產生新任務的速度非常快，因為fork不複製原任務的記憶體空間，而是和原任務一起共用一個寫時拷貝的記憶體空間；

所謂寫時拷貝：指的是兩個任務可以同時自由地讀取記憶體，但任意一個任務試圖對記憶體進行修改時，記憶體就會複製一份提供給修改方單獨使用，以免影響到其他的任務使用；

fork只能夠產生本任務的鏡像，因此必須使用exec配合才能啟動別的新任務，exec可以用新的可執行映像替代當前的可執行映像，因此在fork產生了一個新任務之後，新任務可以調用exec來執行新的可執行檔；

標頭檔都定義在pthread.h中

建立一個線程：#include<pthread.h>

int pthread_create (pthread_t *thread,const pthread_attr_t* attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg)

thread參數是新線程的標識符，後續的pthread_*函數通過它來引用新線程；

attr參數用於設定新線程的屬性，給它傳遞NULL表示使用預設線程屬性；

Start_routine 和arg參數分別制定新線程將啟動並執行函數及參數；

pthread_create成功時返回0，失敗時返回錯誤碼；

結束一個線程：void pthread_exit(void *retval)

函數通過retval參數向線程的回收者傳遞其退出資訊；

安全執行緒：

多線程程式處於一個多變的環境當中，可訪問的全域變數和堆資料都可能隨時被其他的線程改變；

手段：同步與鎖

原子的：單指令操作稱為原子的，無論如何，單條指令的執行是不會被打斷的；

為了避免多個線程同時讀寫一個資料而產生不可預料的後果，我們要將各個線程對同一個資料的訪問同步（所謂同步，就是在一個線程訪問資料未結束時，其他線程不得對同一個資料進行訪問），因此，對資料的訪問被原子化；

同步的常見方法：（訊號量、互斥量、臨界區，讀寫鎖、條件變數）

鎖：每一個線程在訪問資料或資源時首先試圖擷取鎖，並在訪問結束後釋放鎖；

訊號量：線程訪問資源的時候首先擷取訊號量；

操作如下：

（1）將訊號量的值減1；

（2）如果訊號量的值小於0，則進入等待狀態；否則繼續執行；

訪問完資源之後，線程釋放訊號量；

（3）將訊號量的值加1；

（4）如果訊號量的值小於1，喚醒一個等待中的線程；

互斥量&&訊號量

同：資源僅同時允許一個線程訪問；

異：訊號量在整個系統中，可以被任意線程擷取並釋放，也就是說，同一個訊號量可以被系統中的一個線程擷取後，另一個線程釋放；

而互斥量要求哪個線程擷取了互斥量，哪個線程就要負責釋放這個鎖，其他線程越俎代庖去釋放互斥量是無效的；

臨界區：是比互斥量更加嚴格的同步手段

把臨界區的鎖的擷取稱為進入臨界區；

而把鎖的釋放稱為離開臨界區。

區別（與訊號量和互斥量）

互斥量和訊號量在系統的任何進程裡都是可見的；

也就是說一個進程建立了一個互斥量或訊號量，另一個進程試圖去擷取該鎖是合法的；

臨界區的作用範圍僅限於本進程，其他的進程無法擷取該鎖

讀寫鎖：

兩種方式：共用的 獨佔的

當鎖出於自由狀態時，試圖以任何一種方式擷取鎖都能成功，並將鎖置於對應的狀態；（如）

條件變數：作為同步的一種手段，作用類似於一個柵欄；

對於條件變數，線程有兩種操作：

（1）首先線程可以等待條件變數，一個條件變數可以被多個線程等待；

（2）線程可以喚醒條件變數，此時某個或所有等待此條件變數的線程都會被喚醒並繼續支援；

（也就是說，使用條件變數可以讓許多現車鞥一起等待某個事件的發生，當事件發生時，所有線程可以一起恢複執行）。

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