深入理解线程模型
线程作为操作系统调度的基本执行单元，是实现高吞吐、低延迟系统的基础。
一、进程与线程的体系结构对比
核心概念：
- 进程（Process）：操作系统资源分配的基本单位，拥有独立的虚拟地址空间、文件描述符表、环境变量等。
- 线程（Thread）：CPU 调度与分派的基本单位，属于进程，共享进程的地址空间和资源，但拥有独立的栈空间、程序计数器、寄存器集合。
关键区别：
资源开销：线程创建/切换开销远小于进程（无需切换地址空间）。
通信效率：线程间共享内存，通信无需 IPC（进程间通信）机制。
健壮性：一个线程崩溃可能导致整个进程终止；进程间相互隔离。
二、线程生命周期与状态转换
状态详解：
- NEW：线程实例化后，尚未调用
start()。 - RUNNABLE：已调用
start()，等待或正在 CPU 上执行（包含操作系统层面的 Running 和 Ready）。 - BLOCKED：等待进入
synchronized代码块（等待获取监视器锁）。 - WAITING：调用
Object.wait(),Thread.join(),LockSupport.park()后无限期等待。 - TIMED_WAITING：调用
Thread.sleep(),Object.wait(timeout),Thread.join(timeout)等带超时的方法。 - TERMINATED：线程执行完毕或因未捕获异常终止。
三、并发和并行
核心定义：
并发：多个任务在同一时间段内交替执行（宏观上“同时”，微观上分时复用 CPU）。适用于 I/O 密集型任务。
并行：多个任务在同一时刻真正同时执行（需多核/多处理器支持）。适用于 CPU 密集型任务。
并发是编程模型，解决任务调度问题；并行是硬件能力，解决计算加速问题。
四、线程安全与同步机制：竞态条件与内存可见性
1. 竞态条件
当多个线程非原子地访问共享资源，且最终结果依赖于线程调度顺序时，即发生竞态条件。
public class Counter {private int count = 0;public void increment() {count++; // 非原子操作：读取 → 修改 → 写入}public int getCount() { return count; }
}2. 同步原语
互斥锁（Mutex / synchronized）：确保同一时刻只有一个线程访问临界区。
信号量（Semaphore）：控制同时访问资源的线程数量。
条件变量（Condition Variable / wait/notify）：线程间通信，实现等待/通知机制。
原子变量（Atomic Variables）：CAS（Compare-And-Swap）操作实现无锁线程安全。
3. 内存可见性
由于 CPU 缓存和编译器优化，一个线程对共享变量的修改，可能不能立即被其他线程看到。volatile 关键字或同步块可保证可见性。
五、线程调度与上下文切换开销
调度策略：操作系统（如 Linux CFS）根据优先级、时间片等决定哪个线程获得 CPU。
上下文切换（Context Switch）：
保存当前线程状态（寄存器、PC、栈指针等），恢复另一线程状态。开销包括：
直接开销：CPU 缓存失效、TLB 刷新。
间接开销：调度器计算、锁竞争加剧。
优化建议：
避免创建过多线程（使用线程池）。
减少锁竞争（无锁数据结构、分段锁）。
绑定 CPU 核心（减少缓存失效）。