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：

• 线程ID：唯一标识符

• 程序计数器：当前指令地址

• 寄存器集合：CPU寄存器状态

• 栈：用于函数调用和局部变量

• 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

三、为什么使用线程？

1. 性能提升

• 多核利用：现代CPU多核心设计，多线程可充分利用硬件资源

• 减少等待：I/O操作时CPU可切换执行其他线程

• 并行计算：分割任务并行处理加速计算

2. 响应性提升

• GUI应用：后台任务不影响用户界面响应

• 网络服务：同时处理多个客户端请求

3. 资源共享高效

• 线程共享内存空间，通信成本低

• 避免进程间通信(IPC)的复杂性

4. 经济实惠

• 创建线程比创建进程快10-100倍

• 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

• Scheduler：调度器，负责决定哪个线程获得 CPU 执行。

• CPU：执行实体，一次只能运行一个线程。

• 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

• 调度器：操作系统的"交通警察"，决定哪个线程获得CPU使用权

• 时间片：每个线程获得CPU的固定时间段（通常10-100ms）

• 线程切换：当发生以下事件时触发：

  • 时间片耗尽

  • 等待I/O等阻塞操作

  • 高优先级线程就绪

• 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

五、线程内存空间分配

1. 内存布局详解

2. 关键区域说明

3. 栈空间管理

每个线程拥有独立的栈空间：

• 默认大小：Linux 8MB，Windows 1MB

• 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