線程

線程的引入：

60年代，在OS中能擁有資源和獨立運行的基本單位是進程，然而隨著計算機技術的發展，進程出現了很多弊端，一是由於進程是資源擁有者，創建、撤消與切換存在較大的時空開銷，因此需要引入輕型進程；二是由於對稱多處理機（SMP）出現，可以滿足多個運行單位，而多個進程并行開銷過大。

因此在80年代，出現了能獨立運行的基本單位——線程（Threads）。

1.伺服器中的文件管理或通信控制

2.前後台處理

3.非同步處理

在多線程OS中，通常是在一個進程中包括多個線程，每個線程都是作為利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。

1）輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。

線程的實體包括程序、數據和TCB。線程是動態概念，它的動態特性由線程式控制制塊TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

（1）線程狀態。

（2）當線程不運行時，被保存的現場資源。

（3）一組執行堆棧。

（4）存放每個線程的局部變數主存區。

（5）訪問同一個進程中的主存和其它資源。

用於指示被執行指令序列的程序計數器、保留局部變數、少數狀態參數和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

2）獨立調度和分派的基本單位。

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，因而也是獨立調度和分派的基本單位。由於線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小（在同一進程中的）。

3）可併發執行。

在一個進程中的多個線程之間，可以併發執行，甚至允許在一個進程中所有線程都能併發執行；同樣，不同進程中的線程也能併發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍設備并行工作的能力。

4）共享進程資源。

在同一進程中的各個線程，都可以共享該進程所擁有的資源，這首先表現在：所有線程都具有相同的地址空間（進程的地址空間），這意味著，線程可以訪問該地址空間的每一個虛地址；此外，還可以訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。由於同一個進程內的線程共享內存和文件，所以線程之間互相通信不必調用內核。

進程是資源分配的基本單位。所有與該進程有關的資源，都被記錄在進程式控制制塊PCB中。以表示該進程擁有這些資源或正在使用它們。

另外，進程也是搶佔處理機的調度單位，它擁有一個完整的虛擬地址空間。當進程發生調度時，不同的進程擁有不同的虛擬地址空間，而同一進程內的不同線程共享同一地址空間。

與進程相對應，線程與資源分配無關，它屬於某一個進程，並與進程內的其他線程一起共享進程的資源。

線程只由相關堆棧（系統棧或用戶棧）寄存器和線程式控制製表TCB組成。寄存器可被用來存儲線程內的局部變數，但不能存儲其他線程的相關變數。

通常在一個進程中可以包含若干個線程，它們可以利用進程所擁有的資源。在引入線程的操作系統中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調度的基本單位。由於線程比進程更小，基本上不擁有系統資源，故對它的調度所付出的開銷就會小得多，能更高效的提高系統內多個程序間併發執行的程度，從而顯著提高系統資源的利用率和吞吐量。因而近年來推出的通用操作系統都引入了線程，以便進一步提高系統的併發性，並把它視為現代操作系統的一個重要指標。

線程與進程的區別可以歸納為以下4點：

1）地址空間和其它資源（如打開文件）：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享。某進程內的線程在其它進程不可見。

2）通信：進程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進程數據段（如全局變數）來進行通信——需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數據的一致性。

3）調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。

4）在多線程OS中，線程不是一個可執行的實體。

守護線程是特殊的線程，一般用於在後台為其他線程提供服務.

Java中，isDaemon()：判斷一個線程是否為守護線程.

Java中，setDaemon()：設置一個線程為守護線程.

C# 守護線程

類1:守護線程類

線程的同步是Java多線程編程的難點，往往開發者搞不清楚什麼是競爭資源、什麼時候需要考慮同步，怎麼同步等等問題，當然，這些問題沒有很明確的答案，但有些原則問題需要考慮，是否有競爭資源被同時改動的問題？對於同步，在具體的Java代碼中需要完成以下兩個操作：把競爭訪問的資源標識為private；同步哪些修改變數的代碼，使用synchronized關鍵字同步方法或代碼。當然這不是唯一控制併發安全的途徑。synchronized關鍵字使用說明synchronized只能標記非抽象的方法，不能標識成員變數。為了演示同步方法的使用，構建了一個信用卡賬戶，起初信用額為100w，然後模擬透支、存款等多個操作。顯然銀行賬戶User對象是個競爭資源，而多個併發操作的是賬戶方法oper(int x），當然應該在此方法上加上同步，並將賬戶的餘額設為私有變數，禁止直接訪問。

工作原理

線程是進程中的實體，一個進程可以擁有多個線程，一個線程必須有一個父進程。線程不擁有系統資源，只有運行必須的一些數據結構；它與父進程的其它線程共享該進程所擁有的全部資源。線程可以創建和撤消線程，從而實現程序的併發執行。一般，線程具有就緒、阻塞和運行三種基本狀態。

在多中央處理器的系統里，不同線程可以同時在不同的中央處理器上運行，甚至當它們屬於同一個進程時也是如此。大多數支持多處理器的操作系統都提供編程介面來讓進程可以控制自己的線程與各處理器之間的關聯度（affinity）。

有時候，線程也稱作輕量級進程。就象進程一樣，線程在程序中是獨立的、併發的執行路徑，每個線程有它自己的堆棧、自己的程序計數器和自己的局部變數。但是，與分隔的進程相比，進程中的線程之間的隔離程度要小。它們共享內存、文件句柄和其它每個進程應有的狀態。

進程可以支持多個線程，它們看似同時執行，但互相之間並不同步。一個進程中的多個線程共享相同的內存地址空間，這就意味著它們可以訪問相同的變數和對象，而且它們從同一堆中分配對象。儘管這讓線程之間共享信息變得更容易，但您必須小心，確保它們不會妨礙同一進程里的其它線程。

Java 線程工具和 API看似簡單。但是，編寫有效使用線程的複雜程序並不十分容易。因為有多個線程共存在相同的內存空間中並共享相同的變數，所以您必須小心，確保您的線程不會互相干擾。

線程屬性

為了正確有效地使用線程，必須理解線程的各個方面並了解Java 實時系統。必須知道如何提供線程體、線程的生命周期、實時系統如 何調度線程、線程組、什麼是幽靈線程（Demo nThread）。

線程體

所有的操作都發生在線程體中，在Java中線程體是從Thread類繼承的run（）方法，或實現Runnable介面的類中的run（）方法。當線程產生並初始化后，實時系統調用它的run（）方法。run（）方法內的代碼實現所產生線程的行為，它是線程的主要部分。

線程狀態

附圖表示了線程在它的生命周期內的任何時刻所能處的狀態以及引起狀態改變的方法。這圖並不是完整的有限狀態圖，但基本概括了線程中比較感興趣和普遍的方面。以下討論有關線程生命周期以此為據。

●新線程態（New Thread)

產生一個Thread對象就生成一個新線程。當線程處於"新線程"狀態時，僅僅是一個空線程對象，它還沒有分配到系統資源。因此只能啟動或終止它。任何其他操作都會引發異常。例如，一個線程調用了new方法之後，並在調用start方法之前的處於新線程狀態，可以調用start和stop方法。

●可運行態（Runnable)

start（）方法產生運行線程所必須的資源，調度線程執行，並且調用線程的run（）方法。在這時線程處於可運行態。該狀態不稱為運行態是因為這時的線程並不總是一直佔用處理機。特別是對於只有一個處理機的PC而言，任何時刻只能有一個處於可運行態的線程佔用處理 機。Java通過調度來實現多線程對處理機的共享。注意，如果線程處於Runnable狀態，它也有可能不在運行，這是因為還有優先順序和調度問題。

●阻塞/非運行態（Not Runnable)

當以下事件發生時，線程進入非運行態。

①suspend()方法被調用；

②sleep()方法被調用；

③線程使用wait()來等待條件變數；

④線程處於I/O請求的等待。

●死亡態（Dead)

當run（）方法返回，或別的線程調用stop（）方法，線程進入死亡態。通常Applet使用它的stop（）方法來終止它產生的所有線程。

線程的本操作：

派生：線程在進程內派生出來，它即可由進程派生，也可由線程派生。

阻塞（Block）：如果一個線程在執行過程中需要等待某個事件發生，則被阻塞。

激活（unblock）：如果阻塞線程的事件發生，則該線程被激活並進入就緒隊列。

調度（schedule）：選擇一個就緒線程進入執行狀態。

結束（Finish）：如果一個線程執行結束，它的寄存器上下文以及堆棧內容等將被釋放。

圖2 線程的狀態與操作

線程的另一個執行特性是同步。線程中所使用的同步控制機制與進程中所使用的同步控制機制相同。

線程優先順序

雖然我們說線程是併發運行的。然而事實常常並非如此。正如前面談到的，當系統中只有一個CPU時，以某種順序在單CPU情況下執行多線程被稱為調度（scheduling）。Java採用的是一種簡單、固定的調度法，即固定優先順序調度。這種演演算法是根據處於可運行態線程的相對優先順序來實行調度。當線程產生時，它繼承原線程的優先順序。在需要時可對優先順序進行修改。在任何時刻，如果有多條線程等待運行，系統選擇優先順序最高的可運行線程運行。只有當它停止、自動放棄、或由於某種原因成為非運行態低優先順序的線程才能運行。如果兩個線程具有相同的優先順序，它們將被交替地運行。　Java實時系統的線程調度演演算法還是強制性的，在任何時刻，如果一個比其他線程優先順序都高的線程的狀態變為可運行態，實時系統將選擇該線程來運行。一個應用程序可以通過使用線程中的方法setPriority(int），來設置線程的優先順序大小。

有線程進入了就緒狀態，需要有線程調度程序來決定何時執行，根據優先順序來調度。

線程中的join()可以用來邀請其他線程先執行(示例代碼如下)：

packageorg.thread.test;publicclassJoin01implementsRunnable{publicstaticvoidmain(String[]args){for(inti=0;i<20;i++){if(i==5){Join01j=newJoin01();Threadt=newThread(j);t.setName("被邀請先執行的線程.");t.start();try{//邀請這個線程，先執行t.join();}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}}System.out.println("沒被邀請的線程。"+(i+1));}}publicvoidrun(){for(inti=0;i<10;i++){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+(i+1));}}}

yield()告訴系統"把自己的CPU時間讓掉，讓其他線程或者自己運行"，示例代碼如下:

packageorg.thread.test;

publicclassYield01

{

publicstaticvoidmain(String[]args)

{

YieldFirstyf=newYieldFirst();

YieldSecondys=newYieldSecond();

YieldThirdyt=newYieldThird();

yf.start();ys.start();yt.start();

}

}

classYieldFirstextendsThread

{

@Overridepublicvoidrun()

{

for(inti=0;i<10;i++)

{

System.out.println("第一個線程第"+(i+1)+"次運行.");//讓當前線程暫停yield();

}

}

}

classYieldSecondextendsThread

{

@Overridepublicvoidrun()

{

for(inti=0;i<10;i++)

{

System.out.println("第二個線程第"+(i+1)+"次運行.");//讓當前線程暫停yield();

如果程序中有幾個競爭資源的併發線程，那麼保證均衡是很重要的。系統均衡是指每個線程在執行過程中都能充分訪問有限的資源。系統中沒有餓死和死鎖的線程。Java並不提供對死鎖的檢測機制。對大多數的Java程序員來說防止死鎖是一種較好的選擇。最簡單的防止死鎖的方法是對競爭的資源引入序號，如果一個線程需要幾個資源，那麼它必須先得到小序號的資源，再申請大序號的資源。

優化

Java的多線程安全是基於Lock機制實現的，而Lock的性能往往不如人意。原因是，monitorenter與monitorexit這兩個控制多線程同步的bytecode原語，是JVM依賴操作系統互斥（mutex）來實現的。而互斥是一種會導致線程掛起，並在較短的時間內又需要重新調度回原線程的，較為消耗資源的操作。所以需要進行對線程進行優化，提高效率。

輕量級鎖

輕量級鎖（Lightweight Locking）是從Java6開始引入的概念，本意是為了減少多線程進入互斥的幾率，並不是要替代互斥。它利用了CPU原語Compare-And-Swap(CAS，彙編指令CMPXCHG），嘗試在進入互斥前，進行補救。下面將詳細介紹JVM如何利用CAS，實現輕量級鎖。

Java Object Model中定義，Object Header是一個2字（1 word = 4 byte）長度的存儲區域。第一個字長度的區域用來標記同步，GC以及hash code等，官方稱之為 mark word。第二個字長度的區域是指向到對象的Class。在2個word中，mark word是輕量級鎖實現的關鍵，其結構見右表。

從表中可以看到，state為lightweight locked的那行即為輕量級鎖標記。bitfieds名為指向lock record的指針，這裡的lock record，其實是一塊分配在線程堆棧上的空間區域。用於CAS前，拷貝object上的mark word。第三項是重量級鎖標記。後面的狀態單詞很有趣，inflated，譯為膨脹，在這裡意思其實是鎖已升級到OS-level。一般我們只關注第二和第三項即可。lock，unlock與mark word之間的聯繫如右圖所示。在圖中，提到了拷貝object mark word，由於脫離了原始mark word，官方將它冠以displaced前綴，即displaced mark word（置換標記字）。這個displaced mark word是整個輕量級鎖實現的關鍵，在CAS中的compare就需要用它作為條件。

在拷貝完object mark word之後，JVM做了一步交換指針的操作，即流程中第一個橙色矩形框內容所述。將object mark word里的輕量級鎖指針指向lock record所在的stack指針，作用是讓其他線程知道，該object monitor已被佔用。lock record里的owner指針指向object mark word的作用是為了在接下里的運行過程中，識別哪個對象被鎖住了。

最後一步unlock中，我們發現，JVM同樣使用了CAS來驗證object mark word在持有鎖到釋放鎖之間，有無被其他線程訪問。如果其他線程在持有鎖這段時間裡，嘗試獲取過鎖，則可能自身被掛起，而mark word的重量級鎖指針也會被相應修改。此時，unlock后就需要喚醒被掛起的線程。

偏向鎖

Java偏向鎖（Biased Locking）是Java 6引入的一項多線程優化。它通過消除資源無競爭情況下的同步原語，進一步提高了程序的運行性能。它與輕量級鎖的區別在於，輕量級鎖是通過CAS來避免進入開銷較大的互斥操作，而偏向鎖是在無競爭場景下完全消除同步，連CAS也不執行（CAS本身仍舊是一種操作系統同步原語，始終要在JVM與OS之間來回，有一定的開銷）。所謂的無競爭場景，就是單線程訪問帶同步的資源或方法。

偏向鎖，顧名思義，它會偏向於第一個訪問鎖的線程，如果在接下來的運行過程中，該鎖沒有被其他的線程訪問，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要觸發同步。如果在運行過程中，遇到了其他線程搶佔鎖，則持有偏向鎖的線程會被掛起，JVM會嘗試消除它身上的偏向鎖，將鎖恢復到標準的輕量級鎖。（偏向鎖只能在單線程下起作用）。

偏向模式和非偏向模式，在mark word表中，主要體現在thread ID欄位是否為空。

掛起持有偏向鎖的線程，這步操作類似GC的pause，但不同之處是，它只掛起持有偏向鎖的線程（非當前線程）。

在搶佔模式的橙色區域說明中有提到，指向當前堆棧中最近的一個lock record（在輕量級鎖中，lock record是進入鎖前會在stack上創建的一份內存空間）。這裡提到的最近的一個lock record，其實就是當前鎖所在的stack frame上分配的lock record。整個步驟是從偏向鎖恢復到輕量級鎖的過程。

偏向鎖也會帶來額外開銷。在JDK6中，偏向鎖是默認啟用的。它提高了單線程訪問同步資源的性能。

但試想一下，如果你的同步資源或代碼一直都是多線程訪問的，那麼消除偏向鎖這一步驟對你來說就是多餘的。事實上，消除偏向鎖的開銷還是蠻大的。所以在你非常熟悉自己的代碼前提下，大可禁用偏向鎖 -XX:-UseBiasedLocking。

分類

線程有兩個基本類型：

用戶級線程：管理過程全部由用戶程序完成，操作系統內核心只對進程進行管理。

系統級線程（核心級線程）：由操作系統內核進行管理。操作系統內核給應用程序提供相應的系統調用和應用程序介面API，以使用戶程序可以創建、執行、撤消線程。

舉例UNIX International 線程

UNIX International 線程的頭文件是 ，僅適用於Sun Solaris操作系統。所以UNIX International線程也常被俗稱為Solaris線程。

1.創建線程

intthr_create(void*stack_base,size_tstack_size,void*(*start_routine)(void*),void*arg,longflags,thread_t*new_thr);

2.等待線程

intthr_join(thread_twait_for,thread_t*dead,void**status);

3.掛起線程

intthr_suspend(thread_tthr);

4.繼續線程

intthr_continue(thread_tthr);

5.退出線程

voidthr_exit(void*status);

6.返回當前線程的線程標識符

thread_tthr_self(void);POSIX線程

POSIX線程（Pthreads）的頭文件是，適用於類Unix操作系統。Windows操作系統並沒有對POSIX線程提供原生的支持庫。不過Win32的POSIX線程庫的一些實現也還是有的，例如pthreads-w32 。

1.創建線程

intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);

2.等待線程

intpthread_join(pthread_tthread,void**retval);

3.退出線程

voidpthread_exit(void*retval);

4.返回當前線程的線程標識符

pthread_tpthread_self(void);

5.線程取消

intpthread_cancel(pthread_tthread);Win32線程

Win32線程的頭文件是，適用於Windows操作系統。

1.創建線程

HANDLEWINAPICreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,SIZE_TdwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,LPVOIDlpParameter,DWORDdwCreationFlags,LPDWORDlpThreadId);

2.結束本線程

VOIDWINAPIExitThread(DWORDdwExitCode);

3.掛起指定的線程

DWORDWINAPISuspendThread(HANDLEhThread);

4.恢復指定線程運行

DWORDWINAPIResumeThread(HANDLEhThread);

5.等待線程運行完畢

DWORDWINAPIWaitForSingleObject(HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds);

6.返回當前線程的線程標識符

DWORDWINAPIGetCurrentThreadId(void);

7.返回當前線程的線程句柄

HANDLEWINAPIGetCurrentThread(void);C++ 11 線程

C++ 11 線程的頭文件是。

創建線程

std::thread::thread(Function&& f, Args&&... args);

等待線程結束

std::thread::join();

脫離線程式控制制

std::thread::detach();

交換線程

std::thread::swap( thread& other );

1.

創建線程

std::thread::thread(Function&& f, Args&&... args);

2.

等待線程結束

std::thread::join();

3.

脫離線程式控制制

std::thread::detach();

4.

交換線程

std::thread::swap( thread& other );

C 11 線程

C11線程的頭文件是。

C11線程僅僅是個“建議標準”，也就是說100%遵守C11標準的C編譯器是可以不支持C11線程的。根據C11標準的規定，只要編譯器預定義了__STDC_NO_THREADS__宏，就可以沒有頭文件，自然也就也沒有下列函數。

1.創建線程

intthrd_create(thrd_t*thr,thrd_start_tfunc,void*arg);

2.結束本線程

_Noreturnvoidthrd_exit(intres);

3.等待線程運行完畢

intthrd_join(thrd_tthr,int*res);

4.返回當前線程的線程標識符

thrd_tthrd_current();Java線程

1）最簡單的情況是，Thread/Runnable的run()方法運行完畢，自行終止。

2）對於更複雜的情況，比如有循環，則可以增加終止標記變數和任務終止的檢查點。

3）最常見的情況，也是為了解決阻塞不能執行檢查點的問題，用中斷來結束線程，但中斷只是請求，並不能完全保證線程被終止，需要執行線程協同處理。

4）IO阻塞和等鎖情況下需要通過特殊方式進行處理。

5）使用Future類的cancel()方法調用。

6）調用線程池執行器的shutdown()和shutdownNow()方法。

7）守護線程會在非守護線程都結束時自動終止。

8）Thread的stop()方法，但已不推薦使用。

線程的組成

1）一組代表處理器狀態的CPU寄存器中的內容

2）兩個棧，一個用於當線程在內核模式下執行的時候，另一個用於線程在用戶模式下執行的時候

3）一個被稱為線程局部存儲器（TLS，thread-local storage）的私有儲存區域，各個子系統、運行庫和DLL都會用到該儲存區域

4）一個被稱為線程ID（thread ID，線程標識符）的唯一標識符（在內部也被稱為客戶ID——進程ID和線程ID是在同一個名字空間中生產的，所以它們永遠 不會重疊）

5）有時候線程也有它們自己的安全環境，如果多線程伺服器應用程序要模仿其客戶的安全環境，則往往可以利用線程的安全環境

（1）創建線程

當創建一個新的進程時，也創建一個新的線程，進程中的線程可以在同一進程中創建新的線程中創建新的線程。

（2）終止線程

可以正常終止自己，也可能某個線程執行錯誤，由其它線程強行終止。終止線程操作主要負責釋放線程佔有的寄存器和棧

（3）阻塞線程

當線程等待每個事件無法運行時，停止其運行。

（4）喚醒線程

當阻塞線程的事件發生時，將被阻塞的線程狀態置為就緒態，將其掛到就緒隊列。進程仍然具有與執行相關的狀態。例如，所謂進程處於“執行”狀態，實際上是指該進程中的某線程正在執行。對進程施加的與進程狀態有關的操作，也對其線程起作用。例如，把某個進程掛起時，該進程中的所有線程也都被掛起，激活也是同樣。