线程——基础全解
一、什么是线程（Thread）？
✅ 定义：
线程是程序执行的最小单位。即线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以并发多个线程，每个线程执行不同的任务。
一个进程中可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但独立执行不同的任务。
🔄 通俗理解：
把进程比作一个公司，那线程就是公司里的员工。
进程负责提供资源，线程负责执行具体任务。
线程的组成要素
每个线程都包含以下核心组件：
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线程ID：唯一标识符
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程序计数器：当前指令地址
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寄存器集合：CPU寄存器状态
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栈：用于函数调用和局部变量
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状态：运行、就绪、阻塞等
二、线程与进程的关系与区别
1. 关系图解
2. 详细对比
| 特性 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 资源占用 | 高（独立内存空间） | 低（共享进程内存） |
| 创建开销 | 大（需要复制父进程资源） | 小（仅需创建栈和寄存器） |
| 通信方式 | 复杂（管道、消息队列等） | 简单（共享内存直接访问） |
| 切换成本 | 高（完整上下文切换） | 低（部分上下文切换） |
| 容错性 | 高（一个崩溃不影响其他） | 低（一个崩溃可能导致整个进程终止） |
| 并发性 | 依赖多核CPU | 真正并行执行 |
| 资源隔离 | 完全隔离 | 共享大部分资源 |
| 创建时间 | 10-100毫秒 | 10-100微秒 |
三、为什么使用线程？
1. 性能提升
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多核利用：现代CPU多核心设计，多线程可充分利用硬件资源
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减少等待：I/O操作时CPU可切换执行其他线程
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并行计算：分割任务并行处理加速计算
2. 响应性提升
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GUI应用：后台任务不影响用户界面响应
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网络服务：同时处理多个客户端请求
3. 资源共享高效
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线程共享内存空间，通信成本低
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避免进程间通信(IPC)的复杂性
4. 经济实惠
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创建线程比创建进程快10-100倍
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线程切换比进程切换快10-100倍
四、多线程运行的基本原理
1. 线程调度模型
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Scheduler：调度器，负责决定哪个线程获得 CPU 执行。
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CPU：执行实体，一次只能运行一个线程。
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线程1、线程2、线程3：用户创建的多个线程，处于不同状态（执行、等待、就绪等）。
起初，调度器将CPU的使用权分配给线程1，线程1开始执行。当线程1的时间片用完后，CPU不再继续执行它，而是通知调度器进行线程切换。随后，线程2被调度上来接管CPU，继续执行任务。
在线程2运行的过程中，它遇到了I/O操作（如读取磁盘或等待网络数据），因此无法继续执行，此时线程2进入等待状态，释放了CPU资源。调度器随即将CPU切换给线程3，让线程3开始运行。线程3继续在CPU上执行，直到它的时间片也结束或发生其他调度事件。
整个过程中可以看出，多线程的并发执行并非多个线程同时在CPU上运行，而是由调度器在多个线程之间快速切换，让它们“轮流”使用CPU，这种机制称为时间片轮转调度。同时，如果某个线程由于等待I/O等原因无法执行，系统会自动将CPU切换给其他就绪线程，从而避免CPU空闲，提高系统效率。
这张图很好地体现了线程调度的两个核心原理：时间片耗尽导致的主动切换 和 线程阻塞时的被动让出CPU。在实际应用中，操作系统会不断地根据线程的状态（就绪、运行、等待）做出调度决策，确保所有线程能够高效地共享CPU资源。
核心概念总结
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调度器：操作系统的"交通警察"，决定哪个线程获得CPU使用权
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时间片：每个线程获得CPU的固定时间段（通常10-100ms）
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线程切换：当发生以下事件时触发：
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时间片耗尽
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等待I/O等阻塞操作
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高优先级线程就绪
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CPU利用率：通过快速切换线程，避免CPU空闲（如线程2等待I/O时执行线程3）
2. 用户级线程 vs 内核级线程
| 类型 | 优点 | 缺点 | 代表实现 |
|---|---|---|---|
| 用户级线程 | 切换快、不依赖OS | 无法利用多核、阻塞问题 | Python线程 |
| 内核级线程 | 真正并行、阻塞不影响其他 | 切换成本高 | Java线程 |
| 混合模型 | 结合两者优势 | 实现复杂 | Go goroutine |
五、线程内存空间分配
1. 内存布局详解
2. 关键区域说明
| 内存区域 | 共享性 | 内容 | 大小限制 |
|---|---|---|---|
| 代码区 | 共享 | 程序指令 | 固定 |
| 全局数据区 | 共享 | 全局/静态变量 | 固定 |
| 堆区 | 共享 | 动态分配内存 | 可扩展 |
| 栈区 | 私有 | 局部变量、函数调用 | 有限(通常8MB) |
| 线程局部存储 | 私有 | 线程特有数据 | 可配置 |
3. 栈空间管理
每个线程拥有独立的栈空间：
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默认大小：Linux 8MB，Windows 1MB
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可调整大小：
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setstacksize(&attr, 16*1024*1024); // 16MB
pthread_create(&thread, &attr, start_routine, arg);-
溢出风险：递归过深或大型局部变量可能导致栈溢出
六、使用线程的注意事项
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| ❗ 数据竞争 | 多线程同时修改共享数据 | 使用互斥锁（mutex）保护关键区 |
| ❗ 死锁 | 多线程互相等待锁资源 | 保持加锁顺序，避免嵌套锁 |
| ❗ 线程泄漏 | 未 join 或 detach 线程 | pthread_join() 或 pthread_detach() |
| ❗ 栈空间耗尽 | 创建线程太多 | 限制线程数，使用线程池 |
| ❗ 调试困难 | 多线程运行顺序不可控 | 打印调试日志，使用 GDB 多线程调试 |