線程

一般來說，線是一種非常細的絲線，通常是棉或絲綢織物，用於縫製衣服等。 同樣的術語線程也被用於電腦編程領域。 現在，我們如何將用於縫製衣服的線與用於電腦編程的線相關聯？ 這兩個線程執行的角色類似。 在衣服中，線程將布料放在一起，在另一側，在電腦編程中，線程持有電腦程式，並允許程式一次執行順序操作或許多操作。

線程是操作系統中最小的執行單元。 它本身不是一個程式，而是在程式中運行。 換句話說，線程並不相互獨立，並與其他線程共用代碼段，數據段等。 這些線程也被稱為羽量級進程。

線程狀態

為了深入理解線程的功能，我們需要瞭解線程的生命週期或不同的線程狀態。 通常，線程可以以五種不同的狀態存在。 下麵顯示了不同的狀態 -

新線程
新線程在新狀態下開始其生命週期。 但是，在這個階段，它尚未開始，也沒有分配任何資源。 我們可以說它只是一個對象的實例。

可運行
當新出生的線程啟動時，線程變為可運行的，即等待運行。 在這種狀態下，它擁有所有資源，但仍然有任務調度程式沒有安排它運行。

運行
在此狀態下，線程進行並執行已由任務計畫程式選擇運行的任務。 現在，線程可以進入死態或不可運行/等待狀態。

非運行/待機
在這種狀態下，線程暫停，因為它要麼等待某個I/O請求的回應，要麼等待其他線程執行完成。

死鎖

可運行線程在完成其任務或以其他方式終止時進入終止狀態。

下圖顯示了線程的完整生命週期 -

線程類型

在本節中，我們將看到不同類型的線程。 類型如下所述 -

用戶級線程
這些是用戶管理的線程。

在這種情況下，線程管理內核不知道線程的存在。 線程庫包含用於創建和銷毀線程的代碼，用於線上程之間傳遞消息和數據，用於調度線程執行以及用於保存和恢復線程上下文。 應用程式以單個線程開始。

用戶級線程的例子是 -

• Java線程
• POSIX線程

用戶級線程的優點
以下是用戶級別線程的不同優勢 -

• 線程切換不需要內核模式特權。
• 用戶級線程可以在任何操作系統上運行。
• 調度可以是用戶級別線程中特定於應用程式的。
• 用戶級線程可以快速創建和管理。

用戶級別線程的缺點
以下是用戶級別線程的不同缺點 -

• 在典型的操作系統中，大多數系統調用都是阻塞的。
• 多線程應用程式無法利用多處理。

內核級線程
操作系統管理的線程在內核上運行，內核是操作系統的核心。

在這種情況下，內核執行線程管理。 應用程式區域中沒有線程管理代碼。 內核線程直接由操作系統支持。 任何應用程式都可以編程為多線程。 應用程式中的所有線程都在單個進程中受支持。

內核維護整個流程和流程內的各個線程的上下文資訊。 內核調度是基於線程完成的。 內核在內核空間中執行線程創建，調度和管理。 內核線程創建和管理通常比用戶線程要慢。 內核級線程的例子是Windows，Solaris。

內核級線程的優點
以下是內核級線程的不同優點 -

• 內核可以同時在多個進程上安排來自同一進程的多個線程。
• 如果進程中的一個線程被阻塞，則內核可以調度同一進程的另一個線程。
• 內核例程本身可以是多線程的。

內核級線程的缺點

• 內核線程創建和管理通常比用戶線程要慢。
• 在同一進程內將控制從一個線程轉移到另一個線程需要將模式切換到內核。

線程式控制制塊 - TCB

線程式控制制塊(TCB)可以定義為操作系統內核中的數據結構，主要包含有關線程的資訊。 存儲在TCB中的線程特定資訊將突出顯示有關每個進程的一些重要資訊。

考慮與TCB中包含的線程相關的以下幾點 -

• 線程標識 - 它是分配給每個新線程的唯一線程標識(tid)。
• 線程狀態 - 它包含與線程狀態(運行，可運行，不運行，死機)有關的資訊。
• 程式計數器(PC) - 它指向線程的當前程式指令。
• 寄存器組 - 它包含分配給它們的線程的寄存器值用於計算。
• 堆疊指針 - 它指向進程中線程的堆疊。 它包含線程範圍內的局部變數。
• 指向PCB的指針 - 它包含指向創建該線程的進程的指針。

進程和線程之間的關係

在多線程中，進程和線程是兩個非常緊密相關的術語，具有相同的目標，使電腦能夠一次完成多個任務。 一個進程可以包含一個或多個線程，但相反，線程不能包含進程。 但是，它們仍然是執行的兩個基本單位。 一個執行一系列指令的程式啟動進程，並啟動兩者。

下表顯示了進程和線程之間的比較 -

多線程的概念

正如我們前面討論過的，多線程是CPU通過併發執行多個線程來管理操作系統使用的能力。 多線程的主要思想是通過將進程分成多個線程來實現並行性。 以更簡單的方式，多線程是通過使用線程的概念來實現多任務的方式。

以下示例的幫助可以理解多線程的概念。

示例

假設我們正在運行一個進程。 這個過程可能是為了寫一些東西而打開MS詞。 在這樣的過程中，一個線程將被分配以打開MS字，另一個線程將被要求寫入。 現在，假設想要編輯某些東西，那麼將需要另一個線程來執行編輯任務等等。

下圖解釋記憶體中是否存在多個線程 -

我們可以在上面的圖中看到，一個進程中可以存在多個線程，其中每個線程都包含自己的寄存器集和局部變數。 除此之外，進程中的所有線程共用全局變數。

多線程的優點

現在讓我們看看多線程的一些優點。 優點如下 -

• 通信速度 - 多線程技術提高了計算速度，因為每個核心或處理器可以同時處理單獨的線程。
• 程式保持回應 - 它允許程式保持回應，因為一個線程等待輸入，另一個線程同時運行GUI。
• 訪問全局變數 - 在多線程中，特定進程的所有線程都可以訪問全局變數，如果全局變數有任何變化，那麼其他線程也可以看到它。
• 資源的利用 - 在每個程式中運行多個線程可以更好地使用CPU，並且CPU的空閒時間會變少。
• 共用數據 - 每個線程不需要額外的空間，因為程式中的線程可以共用相同的數據。

多線程的缺點

現在讓我們看看多線程的一些缺點。 缺點如下 -

• 不適用於單處理器系統 - 與多處理器系統的性能相比，多線程技術難以實現單處理器系統的計算速度。
• 安全性問題 - 由於程式中的所有線程共用相同的數據，因此總是存在安全問題，因為任何未知線程都可以更改數據。
• 複雜性增加 - 多線程會增加程式的複雜性，調試變得困難。
• 導致死鎖狀態 - 多線程會導致程式潛在的達到死鎖狀態的風險。
• 需要同步 - 需要同步以避免互斥。這導致更多的記憶體和CPU利用率。