1 什麽是線程

線程，有時被稱為輕量級進程，是程序執行的最小單元。一個標準的線程由線程ID、 程序計數器（pc）、一組寄存器和堆棧組成。通常，一個進程由多個線程組成，每個線程之間共享進程的內存空間（包括代碼段、數據段、堆等）及一些進程級的 資源（如打開的文件描述符和信號）。如下圖所示：

2 線程的訪問權限

線程的訪問非常自由，它可以訪問進程內存裏的所有數據，同時線程也擁有自己IDE私有存儲空間，包括以下幾方面：

1）棧

2）線程局部存儲（TLS）。

3）寄存器（包括PC寄存器）

3 線程調度和優先級

在單處理器對應多線程的情況下，並發是一種模擬出來的。操作系統通過讓多個線程輪流使用CPU，這樣每個線程就“看起來”在同時執行。

在線程調度中，線程至少有三種狀態，分別是：

1）運行：此時線程獲得CPU正在執行

2）就緒：此時線程只有獲得CPU就可以立刻執行

3）等待：此時線程正在等待某一事件發送，無法執行。

線程轉換圖：

4 Linux多線程

Linux對多線程的支持頗為貧乏，事實上，在Linux內核中並不存在真正意義上的線程概念。Linux將所有的執行實體（無論是線程還是進程）都稱為任務，每一個任務類似於一個單線程的進程，具有內存空間、執行實體、文件資源等。

fork函數產生一個和當前進程完全一樣的新進程，並和當前進程一樣從fork函數裏返回。

fork產生新任務的速度非常快，因為fork並不復制原任務的內存空間（這裏指 的是物理內存，父子進程的虛擬地址空間的獨立的），而是和原任務一起共享一個寫時復制（COW）的內存空間。所謂寫時復制，指的是兩個任務可以同時自由地 讀取內存，但任意一任務試圖對內存進行修改時，內存就會復制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，如果要啟動新任務，則使用exec。exec可 以用新的可執行映像替換當前的可執行映像，因此在fork產生了一個新任務後，新任務可以exec來執行新的可執行文件。fork和exec都只用於產生 新任務，而如果要產生新線程，則可以使用clone。

5 線程安全

多線程程序處於一個多變的環境中，可訪問的全局變量和堆數據隨時都可能被其他的線程改變。因此多線程程序在並發時數據的一致性變得非常重要。

5.1 競爭和原子操作

多個線程同時訪問一個共享數據，可能造成錯誤的結果：

例如：

在許多體系結構上，++i的實現會如下：

1）讀取i到某個寄存器X

2）X++

3）將X的內存存儲回i

由於線程1和線程2的並發執行，因此兩個線程的執行序列可能如下：

從程序的邏輯看，正確的結果應該是i為0.但是由於執行的序列問題，可能出現的結果有0,1,2。可見，兩個線程同時操作一個共享數據會出現意想不到的結果。

很明顯，這裏出現錯誤的原因主要在於自增（++）操作被操作系統編譯為匯編代碼之 後不止一條指令，因此在多線程環境下就可能出現執行了一半而被調度系統打斷，去執行其他的代碼。如果單條指令是原子的，則執行就不會被打斷。問題是，盡管 原子操作非常方便，但是它僅適用於比較簡單的場合。

5.2 同步和鎖

為了避免多個線程同時讀寫一個數據而出現不可預料的結果，我們需要將各種線程對同一數據的訪問同步。所謂同步，即是指在一個線程訪問數據未結束的時候，其他線程不得對同一個數據進行訪問。

同步的最常見方法是加鎖。鎖是一種非強制機制，每一個線程在訪問數據或資源之前首先試圖獲取鎖，訪問完後釋放鎖。

二元信號量是最簡單的一種鎖，它只有兩種狀態：占用和非占用。它適合只能被唯一一個線程訪問的資源。

對於允許多個線程並發訪問的資源，使用多元信號量。一個初始值為N的信號量允許N個線程並發訪問。

互斥量和二元信號量類似。

臨界區是一段訪問臨界資源的代碼。臨界區和互斥量和信號量的區別在於，互斥量和信 號量在系統的任何進程都是可見的，也就是說，一個進程創建了一個互斥量或信號量，另一個進程試圖去獲取該鎖是合法的。然而，臨界區的作用僅限於同一進程內 的不同線程之間的同步，不能用於進程的同步。

讀寫鎖分為共享的和獨占的。

條件變量，使用條件變量可以讓許多線程一起等待某個事件的發生，當事件發生後，所有線程可以一起恢復。

6 可重入與線程安全

一個函數要成為可重入的，必須具有以下幾個特點：

1）不使用任何（局部）靜態或全局的非const變量

2）不返回任何（局部）靜態或全局的非const變量的指針

3）僅依賴於調用方提供的參數

4）不依賴於單個資源的鎖（mutex等）

5）不調用任何不可重入的函數

7 過度優化

有時候過度優化也會造成線程安全問題。

例如：

由於有鎖的保護，x++的行為不會被並發所破壞，那麽x似乎必然為2.然而，如果編譯器為了提高x的訪問速度，把x放入了某個寄存器中，那麽我們知道不同線程的寄存器是各自獨立的，此時就出現線程安全問題，例如：

可見，現在即使加鎖也不能保證結果正確。

我們可以使用volatile關鍵字試圖阻止過度優化。volatile可以阻止兩件事情：

1）阻止編譯器為了提高速度將一個變量緩存在寄存器內而不寫回。

2）阻止編譯器調整操作volatile變量的指令。

線程的概念