蒼穹之邊，浩瀚之摯，眰恦之美； 悟心悟性，善始善終，惟善惟道！ —— 朝槿《朝槿兮年說》
寫在開頭
眾所周知，在計算機作業系統中，行程(Process)是一個很關鍵的概念，最本質的理解就是作業系統執行的一個應用程式(Application Program)，與每個行程相關的是地址空間(Address Space)，其中，描述的是從某個最小值的存盤位置(通常是0)到最大值的存盤位置的串列，在這個地址空間中，行程可以進行讀寫操作，地址空間中可以存放可執行程式，以及程式需要的資料和堆疊針，與每個行程相關的資源集合，通常包括暫存器(Registers),打開的檔案清單，突發的系統報警，有關的行程清單和其他執行程式的資訊，其中，暫存器主要包括程式計數器(Program Counter)和堆疊指標(Stack Pointer)，從一定程度上，我們可以把行程當作容納運行一個程式所有資訊的一個容器(Container)，
作業系統中可以使用行程來描述一個程式的執行程序，行程擁有該程式的所有資料(包括一些I/O分配情況、記憶體分配情況等)，也就是該程式的一個載體，所以行程有一個特點就是資源分配的單位，這一點十分重要，行程還有一個特點就是調度執行，交替執行以提高資源利用率，
作業系統管理行程(創建、切換行程、分配與回收等)開銷是很大的，比如行程創建時還需要創建PCB，分配記憶體獨立的內空間，建立映射表，創建資源，行程切換時還需要切換資源，如切換對應的記憶體映射表，行程退出時還需要釋放資源，
由此不難得出一個結論，每一個行程都有一個地址空間(Address Space)和一個控制執行緒(Control Thead)，但是，作業系統有了行程為何要出現執行緒呢？主要是因為，雖然行程任然是資源分配的單位，但是調度執行卻交給了執行緒，因為執行緒是在行程的內部，執行緒間的切換不用切換資源，不用切換映射表，只需要簡單的在行程內部切換一下PC指標和保存一些暫存器即可，這也就更輕量了(避免不了不同行程間的執行緒切換)，
基本概述
執行緒(Thread)既保留了并發執行的優點，也避免了行程切換的代價，
假設現在有一個網路服務器，此時沒有執行緒的概念，該服務器程式用到多個行程，如用一個行程監聽客戶端的請求，當客戶端連接上后就分派出(復制出一個子行程)一個行程給該用戶(每個行程都有獨立的資源)，用于監聽該用戶發送的資料并處理(即多行程程式)，此時設想一下，這多個行程切來切去，每次切換的時候都需要切換資源，是不是很耗費資源，
此時，引入了執行緒之后，網路服務器這個程式是一個行程，行程用于承載該程式的資源，首先用行程中的一個執行緒監聽請求，每次連接客戶端都分配一個執行緒給用戶(多執行緒程式)，此時處理器只需要在這幾個執行緒中切換即可，執行緒的切換不需要切換資源(行程時資源級的切換，執行緒是指令級的切換)，那么多個執行緒只需要共享行程中的資源即可，其運行速度和執行效率也得到了提升，
由此可見，作業系統引入執行緒后，調度和分派是在執行緒上完成的，但是某些活動會影響行程中的所有執行緒，因此這些活動必須在行程級對他們進行管理，如掛起操作會掛起所有執行緒，因為所有執行緒共享行程的用戶地址空間，引入了執行緒最關鍵的體現在以下兩個方面：
- 執行緒的創建、終止和調度更輕量
- 執行緒間的通信不進過內核，不需要用戶態->內核態的轉換
但是，同時也增加了程式的開發難度，如果開發者對于執行緒機制的掌握和認識不夠準確，也會陷入技術困惑，
執行緒模型
所有執行緒共享行程的狀態和資源，所以執行緒都駐留在同一塊地址空間中，并可訪問相同的資料，
對于有執行緒和無執行緒的區別，其中主要是體現在用戶堆疊和內核堆疊兩個關鍵：
- 用戶堆疊用于保存用戶行程的子程式間相互呼叫的引數、回傳值以及區域變數等資訊(保存普通方法的堆疊)
- 內核堆疊是程式發生系統呼叫時內核態呼叫方法時的堆疊；用戶地址空間則是行程的程式和資料存放的空間，執行緒是沒有自己的用戶地址空間的
一般來說，用戶堆疊和內核堆疊已經在執行緒中獨有，也證明了執行緒成為了任務調度的基本單位，這些執行緒都共享行程所持有的資源，執行緒控制塊中存放了暫存器的值、優先級、執行緒狀態等資訊，
在作業系統層面，執行緒也有“生老病死”，專業的說法叫有生命周期，雖然不同的開發語言對于作業系統執行緒進行了不同的封裝，但是對于執行緒的生命周期這部分，基本上是相通的，每一個執行緒基本都有如下特征：
- 類似行程，執行緒也有執行狀態(生命周期),因為執行緒也是一個執行程序
- 執行緒的背景關系，執行緒切換時也需要進行保護現場
- 執行堆疊，保存系統呼叫時的一些引數和中間結果
- 少量的，執行緒私有的區域變數的存盤空間，不再擁有大量的存盤空間
- 與行程內其他執行緒共享的記憶體和資源的訪問
- 執行緒控制塊TCB，存放背景關系切換的資訊，同PCB
可以看出，對于有生命周期的事物，要學好和掌握它，思路非常簡單，只要能搞懂生命周期中各個節點的狀態轉換機制即可，
執行緒分類
執行緒分為用戶級執行緒(User-Level Thread，ULT)和內核級執行緒(Kernel-Level Thread，KLT)，內核級執行緒又叫做輕量級行程(Light-Weight Process，LWP)，
用戶級執行緒(User-Level Thread，ULT)
在純ULT軟體中，管理執行緒的所有作業都是應用程式完成，內核意識不到執行緒的存在，執行緒完全是由執行緒庫提供的，創建、銷毀、調度執行緒、執行緒間傳遞訊息等，還包括保存背景關系都是由它管控的，如果可以的話我們自己也可以實作自己的執行緒庫，只要合理的組織執行緒即可，
但是用戶級執行緒所有的活動都發生在用戶空間和一個行程中，系統感知不到用戶級執行緒的存在，所以系統依舊是以行程的方式調度，
當執行緒1發生系統呼叫等阻塞了，此時系統就會認為該行程阻塞了，作業系統會把CPU時間片分配給其他行程，在此期間，根據執行緒庫維護的資料結構來看，執行緒1任然處于運行狀態，但在處理器執行的角度，執行緒2是不處于運行狀態的，也分不到時間片，
這也導致了用戶級執行緒一旦阻塞，就會阻塞行程中的所有執行緒，使得其他執行緒也得不到運行，使用用戶級執行緒(ULT)如下特點:
優點：
- 所有執行緒的管理都在一個行程的用戶空間中，執行緒的切換不需要內核模式特權，不需要系統呼叫，從而節省了用戶態到內核態轉換的開銷
- 執行緒的調度更靈活，可以為每個不同的應用程式量身定制更合適的調度演算法，因為這些調度演算法都可以自己實作，不需要更改作業系統底層的調度程式
- ULT可以在任何作業系統下運行，即便是不支持執行緒的作業系統也能實作，執行緒庫是供所有應用程式共享的一組應用級函式
缺點：
- 在執行一個系統呼叫時不僅僅是阻塞當前執行緒，還會阻塞行程中的所有執行緒
- ULT不能利用多處理技術，作業系統看不到執行緒，所以內核一次只能把一個行程分配給一個處理器，因此一個行程中的所有執行緒不能夠并行執行，只能夠并發執行，相當于一個行程內實作了多道程式設計
解決這兩個問題的方法有：
- 把應用程式寫出多行程程式，但是該方法消除了執行緒的主要優點
- 套管技術：把產生阻塞的系統呼叫轉化為一個非阻塞的系統呼叫
綜上所述，用戶級執行緒(User-Level Thread，ULT)適合計算密集型的，因為不需要IO操作 ，不會阻塞整個行程，
內核級執行緒(Kernel-Level Thread，KLT)
在KLT軟體中，管理執行緒的所有作業均由內核完成，應用級沒有執行緒管理代碼，只有一個到內核執行緒的API，
內核為行程級行程內的所有執行緒維護背景關系資訊，調度由內核基于執行緒完成，
該方法克服了ULT的兩個缺點，首先，內核可以把一個行程中的執行緒分配個多個處理器中；其次，行程中的某個執行緒阻塞了，內核還可以調度同一個行程中的其他執行緒，
缺點是：在把控制權從一個執行緒傳送到另一個行程的執行緒時，需要切換到內核模式，開銷較大，
綜上所述，KLT并發性更好，適合I/O操作較多的程式，
混合執行緒（Hybrid-Approach Thread，HAT）
有些作業系統提供了ULT和KLT的混合體：執行緒創建完全在用戶空間中完成，執行緒的調度和同步也在應用程式中進行，一個應用程式中的多個用戶級執行緒會被映射到一些(小于等于用戶級線數)內核級執行緒上，行程和執行緒的比為 N:M，N<=M，ULT中比值為1:N，KLT為1:1
同一個應用程式中的多個執行緒可在多個處理器上并行的運行，某個引起阻塞的系統呼叫不會阻塞整個行程，
綜上所述，內核級執行緒(KLT)和用戶級執行緒(User-Level Thread，ULT)對比分析如下：
執行緒生命周期
一個執行緒的生命周期基本上可以這個“五態模型”來描述，主要分別是：初始狀態、可運行狀態、運行狀態、休眠狀態和終止狀態，其中：
- 初始狀態，指的是執行緒已經被創建，但是還不允許分配 CPU 執行，這個狀態屬于編程語言特有的，不過這里所謂的被創建，僅僅是在編程語言層面被創建，而在作業系統層面，真正的執行緒還沒有創建，
- 可運行狀態，指的是執行緒可以分配 CPU 執行，在這種狀態下，真正的作業系統執行緒已經被成功創建了，所以可以分配 CPU 執行，
- 運行狀態：當有空閑的 CPU 時，作業系統會將其分配給一個處于可運行狀態的執行緒，被分配到 CPU 的執行緒的狀態就轉換成了運行狀態，
- 休眠狀態：運行狀態的執行緒如果呼叫一個阻塞的 API（例如以阻塞方式讀檔案）或者等待某個事件（例如條件變數），那么執行緒的狀態就會轉換到休眠狀態，同時釋放 CPU 使用權，休眠狀態的執行緒永遠沒有機會獲得 CPU 使用權，當等待的事件出現了，執行緒就會從休眠狀態轉換到可運行狀態，
- 終止狀態：執行緒執行完或者出現例外就會進入終止狀態，終止狀態的執行緒不會切換到其他任何狀態，進入終止狀態也就意味著執行緒的生命周期結束，
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標籤：架構設計
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