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线程是什么

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本节开始,我们将为您详细讲解如何编写一个“多线程”程序。本节,我们想了解一下什么是线程。

"线程"的起源

“线程”一词于 1967 年左右被首次提出,是计算机硬件和软件发展过程中诞生的产物。

一台计算机所能利用的资源总是有限的,比如 CPU 在 1 秒钟之内最多执行 1 亿条指令,计算机一共有 1GB 的内存空间等等。因此,“如何提高计算机资源的利用率”是人们一直思考的问题,这个问题也一直带动着计算机硬件和软件的发展。

计算机诞生初期,任何安装任何操作系统和软件,只能运行机器指令,完成一些简单的数学运算。受到当时价格因素的制约,计算机并不普及,拥有者主要是政府、大型机构和公司,一台计算机往往由多个用户共同使用。计算机由专人负责操控,如果有用户想让计算机运行一段指令,必须先将指令输入到打孔卡(一种存储设备)中,然后交给计算机管理员,由计算机管理员负责将指令输入到计算机中执行。

随着对计算机资源利用率的要求不断提升,人们逐渐发现,计算机资源的利用率受管理员的影响非常大。例如,计算机每执行完一个任务,都要等待管理员输入下一个任务,期间很多硬件资源(比如 CPU、某些输入输出设备)都处于空闲状态。

为此,人们设计出了批处理操作系统,由它代替计算机管理员完成任务的切换工作。当计算机执行完某一任务时,批处理系统会自动将下一个要执行的任务输入到计算机中,缩减了任务切换所花费的时间,提高了计算机资源的利用率。

渐渐地人们又发现,批处理系统操控计算机执行的过程中,计算机的 CPU 资源仍经常处于空闲状态。举个例子,当执行中的程序进行 I/O 操作时,CPU 只能等待其 I/O 操作完成后继续工作,这段时间内 CPU 就处于空闲状态。

在批处理系统(又称单道批处理操作系统)的基础上,人们又设计出了功能更强大的多道批处理操作系统。和先前的系统相比,多道批处理系统主要有以下两点优势:
  • 它将计算机的内存分成很多区域,每个区域都可以存储一个程序;
  • 当执行的程序执行 I/O 操作时,操作系统会将 CPU 资源分配给其它等待执行的程序。

也就是说,多道批处理操作系统可以“同时”执行多个程序,这样的操作系统又称多任务操作系统。为了使多任务系统更高效地完成计算机资源的分配和回收,便于管理各个程序的执行过程,人们提出了“进程”的概念。

所谓进程,指的就是正在执行的应用程序。多任务操作系统可以控制各个进程的执行状态,例如终止某个正在执行的进程,启动某个暂停执行的进程等。操作系统负责为每个进程分配独立的内存空间和其它所需资源(例如 I/O 设备、文件等),进程执行完毕后,操作系统会将进程占用的资源全部回收。

早期的多任务操作系统,以进程为单位管理各个程序的运行以及计算机资源的分配和回收,进一步提高了计算机资源的利用率。但随着计算机硬、软件的发展,人们发现还可以做进一步优化,例如:
  • 操作系统将 CPU 资源从一个进程分配给另一个进程时,开销较大;
  • 各个进程占用的内存空间是相互独立的,大大增加了进程间通信的实现难度;
  • 一个进程可能会执行多个任务,当某个任务因 I/O 操作暂停执行时,其他任务将无法执行。

在计算机软、硬件快速发展,人们计算机运行效率的要求越来越高的大背景下,“线程”应运而生。

什么是线程

我们知道,一个进程指的是一个正在执行的应用程序。线程对应的英文名称为“thread”,它的功能是执行应用程序中的某个具体任务,比如一段程序、一个函数等。

线程和进程之间的关系,类似于工厂和工人之间的关系,进程好比是工厂,线程就如同工厂中的工人。一个工厂可以容纳多个工人,工厂负责为所有工人提供必要的资源(电力、产品原料、食堂、厕所等),所有工人共享这些资源,每个工人负责完成一项具体的任务,他们相互配合,共同保证整个工厂的平稳运行。

每个进程执行前,操作系统都会为其分配所需的资源,包括要执行的程序代码、数据、内存空间、文件资源等。一个进程至少包含 1 个线程,可以包含多个线程,所有线程共享进程的资源,各个线程也可以拥有属于自己的私有资源。

进程仅负责为各个线程提供所需的资源,真正执行任务的是线程,而不是进程。

下图描述了进程和线程之间的关系:


图 1 进程和线程的关系

如图所示,所有线程共享的进程资源有:
  • 代码:即应用程序的代码;
  • 数据:包括全局变量、函数内的静态变量、堆空间的数据等;
  • 进程空间:操作系统分配给进程的内存空间;
  • 打开的文件:各个线程打开的文件资源,也可以为所有线程所共享,例如线程 A 打开的文件允许线程 B 进行读写操作。

各个线程也可以拥有自己的私有资源,包括寄存器中存储的数据、线程执行所需的局部变量(函数参数)等。

什么是多线程

所谓多线程,即一个进程中拥有多(≥2)个线程,线程之间相互协作、共同执行一个应用程序。

我们通常将以“多线程”方式编写的程序称为“多线程程序”,将编写多线程程序的过程称为“多线程编程”,将拥有多个线程的进程称为“多线程进程”。

当进程中仅包含 1 个执行程序指令的线程时,该线程又称“主线程”,这样的进程称为“单线程进程”。

如今,很多应用程序(软件)都是多线程程序,例如 QQ 具备同时和多人聊天的能力、迅雷具备同时下载多个资源的能力、很多杀毒软件可以同时开启杀毒、清理垃圾、电脑加速等功能。

了解了什么是线程和多线程之后,我们正式开始学习如何编写多线程程序。

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