线程（Thread）是计算机程序中的执行单元，是进程中的一条执行流程。一个进程可以包含多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务。线程可以并发执行，因此可以提高程序的执行效率。

为什么使用线程

实例：编写一个 MP3 播放软件，其核心功能为：

1. 从 MP3 音频文件中读取数据；
2. 对数据进行解压缩；
3. 把解压缩后的音频数据播放出来。

单进程实现

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int main() {
    while (true) {
        Read(); // I/O
        Decompress(); // CPU
        Play();
    }
}

Read() {...}
Decompress() {...}
Play() {...}

/*
    问题：
    分片的读取、解压、播放的话，播放出来的声音能否连贯？
        大概率是不能的，因为从硬盘读取是很慢的。
    各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率。
*/

多进程实现

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// 程序 1
int main() {
    while (true) {
        Read();
    }
}

Read() {...}

// 程序 2
int main() {
    while (true) {
        Decompress();
    }
}

Decompress() {...}

// 程序 3
int main() {
    while (true) {
        Play();
    }
}

Play() {...}
/*
    问题：
    进程之间如何通信、共享数据？另外，维护进程的系统开销较大；
    创建进程时，分配资源，建立 PCB；撤销进程时，回收资源，撤销 PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息。
*/

如何解决

需要提出一种新的实体，满足以下特征：

• 实体之间可以 并发执行；
• 实体之间 共享相同的地址空间。

这种实体就是线程（Thread）。

什么是线程

线程定义

线程（Thread）是计算机程序中的执行单元，是 进程中的一条执行流程。一个进程可以包含多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务。线程可以并发执行，因此可以提高程序的执行效率。

从两个方面重新理解进程（Process）：

• 从资源组合的角度：进程将一组相关的资源组合在一起，构成了一个资源平台（环境），包括地址空间（代码段、数据段）、打开的文件等各种资源；
• 从运行的角度：进程是指代码在这个资源平台上执行的一条或多条执行流程（线程）。

进程中的多线程

进程中的多线程：

从图中可以看出：

• 每个线程有各自的线程控制块（TCB）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、状态寄存器等；
• 每个线程有共享的资源：代码段、数据段、堆空间等（意味着多个线程都可以访问和修改这些资源）。

线程 = 进程 - 共享资源

线程的优缺点

优点：

• 一个进程中可以 同时存在多个 线程；
• 各个线程之间可以 并发地执行；
• 各个线程之间可以 共享地址空间和文件资源 等。

缺点：

• 一个线程崩溃，会导致其所属进程的所有线程崩溃。（给了它「权限」就得有更高的「责任」）

线程的优点也是线程的缺点，由于共享资源，安全性得不到保障。

线程与进程比较

• 进程是资源分配单位，线程是 CPU 调度单位；
• 进程拥有一个完整的资源平台，而 线程只独享必不可少的资源（如寄存器、堆栈等）；
• 线程同样具有「就绪、阻塞、运行」三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
• 线程能减少并发执行的时间、空间开销：
  • 线程的 创建时间 比进程短（因为线程直接利用了所属进程的一些状态信息，如页表、文件描述符等）；
  • 线程的 终止时间 比进程短（因为线程不需要像进程那样进行资源的清理和释放）；
  • 同一进程内的线程 切换时间 比进程短（因为同一进程的不同线程的切换不需要切换页表）；
  • 由于同一进程的各个线程之间共享内存和文件资源，可 直接进行通信（直接通过内存地址进行数据传递），而不需要借助内核。

线程的实现

主要有三种线程的实现方式：

• 用户线程：在用户空间实现，操作系统看不到用户线程，由应用程序进行管理。
  • POSIX Pthreads (Mac/Windows/Linux OS)、Mach C-threads (Mach OS)、Solaris threads (Solaris OS)
• 内核线程：在内核空间实现，操作系统管理的线程。
  • Windows、Linux、Solaris
• 轻量级进程（LightWeight Process）：在内核中实现，支持用户线程。
  • Solaris、Linux

用户线程

操作系统只能看到进程、看不到线程，线程的 TCB 在线程库中实现。

在用户空间实现的线程机制，它不依赖于操作系统的内核，由一组用户级的线程库（如 pthread.h）函数来完成线程的管理，包括进程的创建、终止、同步和调度等。

• 由于用户线程的维护由相应的进程来完成（通过线程库函数），不需要操作系统内核了解用户线程的存在，可用于不支持线程技术的多进程操作系统；
• 每个进程都需要有它自己私有的 线程控制块（TCB）列表，用来跟踪记录它的各个线程的状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB 由线程库函数来维护；
• 用户线程的切换也是由线程库函数来完成，无需进行用户态到内核态的切换，速度特别快；
• 允许每个进程拥有自定义的线程调度算法。

用户线程的缺点：

• 阻塞性的系统调用如何实现？如果一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程在等待；
• 当一个线程运行时，除非它主动交出 CPU 使用权，否则它所在的进程中的其他线程将无法运行；
• 由于时间片分配给进程，所以与其它进程相比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会较慢。

内核线程

操作系统能够看到进程、也可能看到线程，线程在内核中实现。

内核线程是指在操作系统的内核当中实现的一种线程机制，由操作系统的内核来完成线程的创建、终止和管理。

• 在支持内核线程的操作系统中，由 内核来维护进程和线程的上下文信息（PCB 和 TCB）；
• 线程的创建、终止和切换都是通过系统调用 / 内核函数的方式来进行，由内核来完成，因此系统开销较大；
• 在一个进程当中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并 不会影响 其他内核线程在 CPU 上的运行；
• 时间片分配给线程，多线程的进程获得更多 CPU 时间。

轻量级进程

它是内核支持的用户线程。一个进程可以有一个或多个轻量化进程，每个轻量级进程由一个单独的内核线程来支持。

参考资料：
1：https://github.com/OXygenMoon/OperatingSystemInDepth
2：https://blog.csdn.net/weixin_53407527/article/details/125027431