線程(英語:thread)是操作系統(tǒng)能夠進行運算調(diào)度的最小單位。它被包含在進程之中,是進程中的實際運作單位。一條線程指的是進程中一個單一順序的控制流,一個進程中可以并發(fā)多個線程,每條線程并行執(zhí)行不同的任務。在Unix System V及SunOS中也被稱為輕量進程(lightweight processes),但輕量進程更多指內(nèi)核線程(kernel thread),而把用戶線程(user thread)稱為線程。線程是獨立調(diào)度和分派的基本單位。線程可以為操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度的內(nèi)核線程,如Win32線程;由用戶進程自行調(diào)度的用戶線程,如Linux平臺的POSIX Thread;或者由內(nèi)核與用戶進程,如Windows 7的線程,進行混合調(diào)度。同一進程中的多條線程將共享該進程中的全部系統(tǒng)資源,如虛擬地址空間,文件描述符和信號處理等等。但同一進程中的多個線程有各自的調(diào)用棧(call stack),自己的寄存器環(huán)境(register context),自己的線程本地存儲(thread-local storage)。一個進程可以有很多線程,每條線程并行執(zhí)行不同的任務。在多核或多CPU,或支持Hyper-threading的CPU上使用多線程程序設計的好處是顯而易見,即提高了程序的執(zhí)行吞吐率。在單CPU單核的計算機上,使用多線程技術(shù),也可以把進程中負責I/O處理、人機交互而常被阻塞的部分與密集計算的部分分開來執(zhí)行,編寫專門的workhorse線程執(zhí)行密集計算,從而提高了程序的執(zhí)行效率。
線程的引入:60年代,在OS中能擁有資源和獨立運行的基本單位是進程,然而隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,進程出現(xiàn)了很多弊端,一是由于進程是資源擁有者,創(chuàng)建、撤消與切換存在較大的時空開銷,因此需要引入輕型進程;二是由于對稱多處理機(SMP)出現(xiàn),可以滿足多個運行單位,而多個進程并行開銷過大。因此在80年代,出現(xiàn)了能獨立運行的基本單位——線程(Threads)。
在多線程OS中,通常是在一個進程中包括多個線程,每個線程都是作為利用CPU的基本單位,是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。
1)輕型實體線程中的實體基本上不擁有系統(tǒng)資源,只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。線程的實體包括程序、數(shù)據(jù)和TCB。線程是動態(tài)概念,它的動態(tài)特性由線程控制塊TCB(Thread Control Block)描述。TCB包括以下信息:(1)線程狀態(tài)。(2)當線程不運行時,被保存的現(xiàn)場資源。(3)一組執(zhí)行堆棧。(4)存放每個線程的局部變量主存區(qū)。(5)訪問同一個進程中的主存和其它資源。用于指示被執(zhí)行指令序列的程序計數(shù)器、保留局部變量、少數(shù)狀態(tài)參數(shù)和返回地址等的一組寄存器和堆棧。
2)獨立調(diào)度和分派的基本單位。在多線程OS中,線程是能獨立運行的基本單位,因而也是獨立調(diào)度和分派的基本單位。由于線程很“輕”,故線程的切換非常迅速且開銷小(在同一進程中的)。
3)可并發(fā)執(zhí)行。在一個進程中的多個線程之間,可以并發(fā)執(zhí)行,甚至允許在一個進程中所有線程都能并發(fā)執(zhí)行;同樣,不同進程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行,充分利用和發(fā)揮了處理機與外圍設備并行工作的能力。
4)共享進程資源。在同一進程中的各個線程,都可以共享該進程所擁有的資源,這首先表現(xiàn)在:所有線程都具有相同的地址空間(進程的地址空間),這意味著,線程可以訪問該地址空間的每一個虛地址;此外,還可以訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構(gòu)等。由于同一個進程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件,所以線程之間互相通信不必調(diào)用內(nèi)核。