一、什么是線程（Thread）？

? 定義：

線程是程序執行的最小單位。即線程（Thread）是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，它被包含在進程之中，是進程中的實際運作單位。一個進程可以并發多個線程，每個線程執行不同的任務。
一個進程中可以包含多個線程，這些線程共享進程的資源，但獨立執行不同的任務。

🔄 通俗理解：

把進程比作一個公司，那線程就是公司里的員工。
進程負責提供資源，線程負責執行具體任務。

線程的組成要素

每個線程都包含以下核心組件：

• 線程ID：唯一標識符

• 程序計數器：當前指令地址

• 寄存器集合：CPU寄存器狀態

• 棧：用于函數調用和局部變量

• 狀態：運行、就緒、阻塞等

二、線程與進程的關系與區別

1. 關系圖解

2. 詳細對比

三、為什么使用線程？

1. 性能提升

• 多核利用：現代CPU多核心設計，多線程可充分利用硬件資源

• 減少等待：I/O操作時CPU可切換執行其他線程

• 并行計算：分割任務并行處理加速計算

2. 響應性提升

• GUI應用：后臺任務不影響用戶界面響應

• 網絡服務：同時處理多個客戶端請求

3. 資源共享高效

• 線程共享內存空間，通信成本低

• 避免進程間通信(IPC)的復雜性

4. 經濟實惠

• 創建線程比創建進程快10-100倍

• 線程切換比進程切換快10-100倍

四、多線程運行的基本原理

1. 線程調度模型

• Scheduler：調度器，負責決定哪個線程獲得 CPU 執行。

• CPU：執行實體，一次只能運行一個線程。

• 線程1、線程2、線程3：用戶創建的多個線程，處于不同狀態（執行、等待、就緒等）。

起初，調度器將CPU的使用權分配給線程1，線程1開始執行。當線程1的時間片用完后，CPU不再繼續執行它，而是通知調度器進行線程切換。隨后，線程2被調度上來接管CPU，繼續執行任務。

在線程2運行的過程中，它遇到了I/O操作（如讀取磁盤或等待網絡數據），因此無法繼續執行，此時線程2進入等待狀態，釋放了CPU資源。調度器隨即將CPU切換給線程3，讓線程3開始運行。線程3繼續在CPU上執行，直到它的時間片也結束或發生其他調度事件。

整個過程中可以看出，多線程的并發執行并非多個線程同時在CPU上運行，而是由調度器在多個線程之間快速切換，讓它們“輪流”使用CPU，這種機制稱為時間片輪轉調度。同時，如果某個線程由于等待I/O等原因無法執行，系統會自動將CPU切換給其他就緒線程，從而避免CPU空閑，提高系統效率。

這張圖很好地體現了線程調度的兩個核心原理：時間片耗盡導致的主動切換 和 線程阻塞時的被動讓出CPU。在實際應用中，操作系統會不斷地根據線程的狀態（就緒、運行、等待）做出調度決策，確保所有線程能夠高效地共享CPU資源。

核心概念總結

• 調度器：操作系統的"交通警察"，決定哪個線程獲得CPU使用權

• 時間片：每個線程獲得CPU的固定時間段（通常10-100ms）

• 線程切換：當發生以下事件時觸發：

  • 時間片耗盡

  • 等待I/O等阻塞操作

  • 高優先級線程就緒

• CPU利用率：通過快速切換線程，避免CPU空閑（如線程2等待I/O時執行線程3）

2. 用戶級線程 vs 內核級線程

五、線程內存空間分配

1. 內存布局詳解

2. 關鍵區域說明

3. 棧空間管理

每個線程擁有獨立的棧空間：

• 默認大小：Linux 8MB，Windows 1MB

• 可調整大小：

pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setstacksize(&attr, 16*1024*1024); // 16MB
pthread_create(&thread, &attr, start_routine, arg);

• 溢出風險：遞歸過深或大型局部變量可能導致棧溢出

六、使用線程的注意事項