理解计算中的线程：开发者实用指南
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什么是线程？
线程是操作系统可以调度的最小执行单元。它代表一系列可以在进程内部独立运行的指令。
关键点
- 进程是正在运行的程序的实例。
- 线程是该进程内部的执行路径。
- 单个进程可以包含多个线程。
你可以把进程想象成拥有资源的容器，而线程则是使用这些资源执行代码的工作者。
进程 vs 线程
了解进程和线程之间的区别至关重要。
进程
- 拥有自己的虚拟地址空间
- 拥有系统资源（内存、文件句柄、套接字）
- 创建和销毁时开销大
- 与其他进程相互隔离
线程
- 共享进程的地址空间
- 与同一进程中的其他线程共享资源
- 相对于进程来说更轻量
- 可以直接访问共享内存
这种共享内存模型功能强大，但也是许多并发错误的根源。
为什么会有线程
- 并行性 – 在多核 CPU 上，线程允许真正的并行执行。多个线程可以在不同的核心上同时运行，提高吞吐量并缩短执行时间。
- 响应性 – 在交互式应用程序中，线程保持系统的响应。
- 一个线程处理用户输入
- 另一个线程执行后台工作
没有线程，长时间运行的操作会阻塞整个程序。
- 资源利用率 – 线程有助于高效利用 CPU 资源，尤其是当任务涉及等待（I/O、网络、磁盘操作）时。
线程生命周期
线程通常会经历以下状态：
- New – 线程已创建但尚未启动
- Runnable – 线程已准备好运行，正在等待 CPU 时间
- Running – 线程当前正在 CPU 上执行
- Blocked / Waiting – 线程正在等待资源或事件
- Terminated – 线程已完成执行
操作系统的调度程序控制这些状态之间的转换。
操作系统如何管理线程
调度
操作系统调度器决定：
- 哪个线程运行
- 在哪个 CPU 核心上运行
- 运行多长时间
现代调度器使用抢占式多任务，这意味着正在运行的线程可以被中断，以给其他线程分配 CPU 时间。
上下文切换
当 CPU 从一个线程切换到另一个线程时，会执行 上下文切换：
- 保存当前线程的寄存器和状态
- 加载下一个线程的状态
上下文切换速度快，但不是没有代价。过度切换会影响性能。
用户级线程 vs 内核线程
内核线程
- 直接由操作系统管理
- 可以在多个核心上真正并行运行
- 开销更高
用户级线程
- 由运行时或库管理
- 创建和切换更快
- 受限于操作系统的调度模型
许多现代运行时（例如 JVM 或 Go）采用混合方式。
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共享内存与同步
因为线程共享内存，同步是必需的，以防止数据损坏。
常见问题
- 竞争条件 – 多个线程并发修改共享数据
- 死锁 – 线程相互无限等待
- 饥饿 – 线程永远得不到 CPU 时间
- 数据不一致 – 部分更新对其他线程可见
同步工具
- 互斥锁（锁）
- 信号量
- 条件变量
- 原子操作
- 读写锁
正确的同步至关重要，但很难做到完美。
线程安全
如果一段代码在被多个线程同时访问时能够正确运行，则称其 线程安全。
线程安全设计原则
- 最小化共享状态
- 优先使用不可变对象
- 将关键区段保持简短
- 尽可能避免加锁
线程安全不是自动实现的——必须有意识地进行设计。
性能考虑
线程可以提升性能，但使用不当会导致系统变慢。
常见错误
- 创建过多线程
- 过度使用锁
- 不必要地阻塞线程
- 忽视缓存一致性影响
一个好的准则：线程越多并不一定意味着性能更好。
线程 vs 异步编程
线程并不是唯一的并发模型。
线程
- 共享内存
- 抢占式调度
- 复杂的同步
异步 / 事件驱动模型
- 协作式调度
- 显式状态机
- 对 I/O 密集型工作负载的开销更低
现代系统通常会结合两种方法。
实际案例
线程被广泛用于：
- Web 服务器（请求处理）
- 数据库（查询执行）
- 游戏引擎（渲染、物理、AI）
- 操作系统
- 编译器和构建系统
在每一种情况下，目标都是实现受控的并发并保证行为可预测。
最佳实践指南（开发者）
- 理解所使用语言的内存模型
- 在进行优化之前先测量性能
- 追求简洁胜于巧妙
- 在有可用的情况下使用高级并发抽象
- 对并发进行处理
并发错误作为设计缺陷，而非边缘情况
Conclusion
线程是现代计算的基本构件。它们实现并行性、响应性和高效的资源使用——但也带来复杂性和风险。精通线程不仅需要了解如何创建它们，还要理解它们与内存、操作系统以及彼此之间的交互。
深刻理解线程的开发者更有能力设计出快速、可扩展且正确的系统。如果你目标是编写高性能软件，线程不是可选的知识——它们是必不可少的。