线程概述

早期操作系统中并没有线程这一概念，无论是分配资源还是调度分派，都以进程为最小单位，随着计算机技术的发展，人们逐渐发现了进程作为系统调度分派单位时存在的一些弊端：由于进程是资源的拥有者，使用独立的地址空间，因此当系统切换资源时，内存中进程的数据段、代码段以及堆栈都要被切换，这种情况下无论是时间消耗还是空间消耗都相当大；此外，操作系统允许多个进程并行执行，但由于进程较为庞大，多个进程占用的空间是相当可观的。基于以上两点，人们意识到操作系统应能调度一个更小的单位，以减少消耗，提高效率，由此，线程应运而生。

Linux系统中的线程借助进程机制实现，线程与进程联系密切：进程可以蜕变成线程，当在一个进程中创建一个线程时，原有的进程就会变成线程，两个线程共用一段地址空间；线程又被称为轻量级进程，线程的TCB（Thread Control Block，线程控制块）与进程的PCB相同，因此也可以将TCB视为PCB；对内核而言，线程与进程没有区别，cpu会为每个线程与进程分配时间片，并通过PCB来调度不同的线程和进程。轻量级线程与内核及cpu之间的关系如图1所示。

图1 LWP与内核及cpu关系示意图

一个进程的实体可以分为两大部分：线程集和资源集。线程集是多个线程的集合，每个线程都是进程中的动态对象；资源集是进程中线程集共享资源的集合，包括地址空间、打开的文件描述符、用户信息等。一个线程的实体包括程序、数据、TCB以及少量必不可少的、用于保证线程独立运行的资源，当然，线程中也包含一部分私有数据，如程序计数器、栈空间及寄存器等。

使用多线程编程时，程序的并发性会得到一定提升。如图9-1，若系统中的进程是单线程进程，那么进程中的命令只能在一个处理器上顺序执行；而若一个进程细分为多个线程，一个进程中的多个线程可以同时在不同的cpu上运行，如此在一定程度上减少了程序的执行时间，提高了程序的执行效率。

虽然线程与进程联系密切，有时线程还可以被称为轻量级进程（Lightweight Process，LWP），但它们仍是有区别的，其中最大的区别在于：线程PCB中指向内存资源的三级页表相同，而进程PCB中指向内存资源的三级页表不同。

由于多个进程PCB中的三级页表指向不同的内存资源，因此即便不同的进程使用相同的虚拟地址也不会发生冲突；但一个进程地址空间里多个线程的PCB中指向三级页表的指针是相同的：线程PCB中的页目录指针指向相同的页目录、页目录对应相同的页表，最终页表又对应磁盘上相同的物理页面，也就是说，多个线程的虚拟地址会被映射到物理磁盘的同一段地址。如图2所示，为线程间的地址映射关系。

图2 线程间的地址映射

运行在同一个进程地址空间的多个线程共享虚拟地址空间，进而共享相同的页目录、页表和物理页面，因此线程间的许多数据是共享的，线程不必通过类似进程通信使用的管道、信号量等机制，便能进行通信。但线程的缺点也随之而来：因为多个线程共享一段地址空间，当多个线程同时需要对其中的数据进行访问时，可能会因竞争导致读写错误，因此，正如控制多个进程对共享资源的访问一样，系统同样也应实现对线程间的共享数据的同步。

与进程相比，线程具有开销小、数据通信与共享数据方便等优点，并能在一定程度上提高程序并发性，但它也有不足：因为线程使用的是库函数，所以不够稳定；另外由于线程出现时间较晚，gdb中没有添加调试线程的方法，因此线程的调试和编写比较困难，基于同样的原因，线程对信号的支持也比较差。当然，线程的缺点不足以影响线程的使用，下面我们将从线程的操作入手，来学习在编程中使用线程的方法。