浅学线程

一：什么是线程

线程：进程中的一条执行流，每个进程一开始(启动之后)都会有一个"主线程"

前提：一个进程中可以有多个线程

(1) 线程直接共享进程的所有资源(如：mm_struct), 创建线程比创建进程要快10~100倍

(2) 线程之间共享相同的地址空间(mm_struct), 这样利于线程之间数据高效的传输

(3) 多CPU操作系统中，多个线程可以真正的并行执行

比如：下图是进程A中有三个线程比如：下图是日常分析问题的Log日志，从Log中我们也能看得出进程中有很多线程从两个角度来重新认识进程：

二：Linux操作系统中线程的创建

Linux操作系统中依然使用 "task_struct" 数据结构来维护一个线程下图演示了Linux操作系统中线程的创建过程

fork 与 clone 的区别

三：用户级线程 vs 内核级线程

TCB: Thread Control Block(线程控制块)

PCB: Process Control Block(进程控制块)

线程的实现(创建)方式主要有两种，分别是："用户级线程"、 "内核级线程"


用户级线程	内核级线程
在用户态实现	在内核态实现
用户态直接创建并维护	用户态发起创建--->透过--->系统调用--->内核态真正新建线程
------------------------------------	POSIX Threads (pthreads) 库、 JAVA Thread库

用户级线程：在用户空间实现的线程，操作系统内核看不到的线程(线程的TCB存放在用户空间的，操作系统内核它只能看到进程_PCB，操作系统只能以进程为单位来调度) ---------》用户级线程是由一些应用程序中的线程库()来实现，应用程序可以调用"线程库"的API来完成线程的创建、线程的结束、等操作

内核级线程：在内核空间实现的线程，由操作系统管理的线程---------》内核级线程管理的所有工作都是由操作系统内核完成的, 比如内核线程的创建，结束，是否占用CPU等。都是由操作系统内核来管理

用户级线程特点 & 缺点：

内核级线程特点 & 缺点：

内核级线程的创建，终止、切换都是由内核来完成的，所以应用程序如果想用内核级线程的话，需要通过系统调用来完成内核级线程的创建、终止、切换。这里会涉及到用户态和内核态的转换，因此相对于前面用户级线程，"系统开销大"

如今各类操作系统中线程模型

多对1 模型

1对1 模型

多对多模型

四：Linux内核程序是怎样创建线程的

内核启动的时候，初始化init_mm，它全局只有一个，管理内核程序虚拟地址空间进程 task_struct 中的 active_mm 内核线程的创建，使用 kernal_thread()

五：线程的状态

(A): 线程的生命周期

每种操作系统，每种编程语言，都有自己的线程生命周期控制，大部分满足上面的线程生命周期，但也都各有不同。

a.1 在Java中，线程状态是明确定义在 java.lang.Thread.State 枚举中的，共有以下 6种状态：


状态名称	说明
NEW	线程被创建，但尚未启动（即未调用 start()方法）
RUNNABLE	线程正在Java虚拟机中运行，或正在等待操作系统资源（如CPU时间片）
BLOCKED	线程被阻塞，等待获取一个监视器锁（如进入 synchronized块）
WAITING	线程无限期等待另一个线程执行特定操作（如 Object.wait()、join()）
TIMED_WAITING	线程在指定时间内等待另一个线程执行操作（如 sleep()、wait(timeout)）
TERMINATED	线程已执行完毕或被中断，生命周期结束

a.2 C++ 中的线程状态（以 C++11 及以后为标准）

C++11 引入了标准库，但 C++ 标准本身并不定义线程的内部状态枚举，线程状态由底层操作系统管理。不过，从使用角度可以归纳出以下常见状态：


状态名称	说明
创建（Created）	线程对象已创建，但尚未调用 join()或 detach()，可能尚未启动
运行（Running）	线程正在执行其入口函数
阻塞（Blocked）	线程因等待互斥锁、条件变量、I/O 等而暂停
等待（Waiting）	线程因调用 std::this_thread::sleep_for、condition_variable::wait等而挂起
完成（Finished）	线程入口函数执行完毕，但资源可能尚未释放（取决于是否 join()）
可合并/分离（Joinable / Detached）	线程是否可被 join()，或已调用 detach()成为后台线程

⚠️ 注意：C++ 标准库没有提供查询线程状态的接口（如 getState()），状态信息依赖于操作系统（如 Linux 的 /proc、Windows 的线程句柄状态）。

a.3 C 中的线程状态（以 POSIX threads - pthread 为例）

C 语言本身没有线程概念，线程支持依赖于平台库，最常用的是 POSIX threads（pthread）。pthread 也没有官方枚举状态，但可以从线程生命周期中归纳出以下常见状态：


状态名称	说明
创建（Created）	线程已调用 pthread_create()，但尚未开始执行或尚未被调度
运行（Running）	线程正在执行其入口函数
阻塞（Blocked）	线程因等待互斥锁（pthread_mutex_lock）、条件变量（pthread_cond_wait）等而阻塞
等待（Waiting）	线程因调用 sleep()、pthread_cond_timedwait等而挂起
终止（Terminated）	线程入口函数返回或调用 pthread_exit()，但资源尚未释放（未 join）
已分离（Detached）	线程已调用 pthread_detach()，资源在线程结束时自动回收

⚠️ 同样，pthread 没有提供获取线程状态的函数（如 pthread_getstate()），状态信息需通过调试工具（如 gdb、top、htop、ps -L）查看。

总结对比表


语言/库	是否明确定义线程状态	状态数量	是否可查询状态	备注
Java	✅（Thread.State）	6种	✅ getState()	标准明确，跨平台一致
C++ 11+	❌（标准未定义）	约5~6种	❌ 无标准接口	状态依赖于操作系统
C (pthread)	❌（库未定义）	约5~6种	❌ 无标准接口	状态依赖于操作系统

如需进一步查看底层线程状态（如 Linux 的 task_state、Windows 的 THREAD_STATE），可结合系统工具或调试器分析。

a.4 Linux 操作系统内核中，线程和进程使用相同的状态描述

📊 Linux 线程（进程）状态一览

下面的表格汇总了 Linux 中主要的线程（进程）状态 "下面总结的不是全部状态，还有很多哈，AI了解一下"、它们在 ps 或 top 命令中对应的显示字母以及简单的说明：


状态宏定义	在 ps/top 中的显示	说明
TASK_RUNNING	R	线程正在运行或就绪（在运行队列中等待调度）。
TASK_INTERRUPTIBLE	S	可中断的睡眠 $阻塞$ 。线程在等待某个事件（如I/O完成、信号量），可被信号或中断唤醒。
TASK_UNINTERRUPTIBLE	D	不可中断的睡眠 $阻塞$ 。线程在等待某些特定条件（通常是I/O），不会响应信号（即使是 kill -9）。此状态通常很短暂。
TASK_STOPPED	T	线程被暂停，例如通过 SIGSTOP信号。可以通过 SIGCONT信号恢复运行。
TASK_TRACED	T	线程正在被跟踪（例如由调试器 gdb 在断点处暂停）。与 TASK_STOPPED类似，但多了一层保护，不能通过 SIGCONT信号恢复。
EXIT_ZOMBIE	Z	僵尸状态。线程已终止，但其退出状态信息还未被父进程获取（例如父进程未调用 wait()）。此时线程占用的绝大多数资源已释放，仅保留 task_struct空壳。
EXIT_DEAD	X	死亡状态。线程的最终状态，接下来会彻底被系统销毁回收。此状态非常短暂，通常无法通过 ps命令捕捉到。

🔍 如何查看线程状态

你可以使用以下命令来查看线程的状态：

css 复制代码

-   ps 命令：例如 ps aux 或 ps -eLF，在 STAT 或 S 列查看状态字母。
-   top 命令：运行 top 后，在 S 列查看状态字母。按下 H 键可以切换至线程视图。

💎 简单总结

理解这些状态对看BUG问题很有帮助。比如，偶尔看到 D 状态通常是正常的，但如果多个线程长时间处于 D 状态，可能意味着某些硬件（如磁盘）或驱动出现了问题。而大量的 Z 状态线程则会消耗系统进程号资源，是需要避免的"僵尸线程"。

(B): Linux操作系统中线程的状态变化

linux的线程状态存放在该线程的 task_struct 中

注意：linux中的线程，没有就绪状态（在linux中，就绪状态和运行状态的线程都是 "TASK_RUNNING", 但是linux搞了一个专门用来指向当前运行任务的指针current 指向它，以表示它是一个正在运行的线程）

下图展示了部分状态转换过程：

(1) TASK_INTERRUPTIBLE 可中断的阻塞(睡眠)状态：阻塞(睡眠)的时候，会响应其他信号(如： kill)

(2) TASK_UNINTERRUPTIBLE 不可中断的阻塞(睡眠)状态：阻塞(睡眠)的时候，忽略其他信号

跑个题：了解一些 I/O 知识

I/O 操作的核心是"输入/输出"，它的本质是数据在 CPU/内存与外部设备之间的流动。磁盘读写只是其中最常见、最典型的一种，但远不是全部。

可以把 CPU 和内存想象成公司的"总部办公室"，而所有其他设备都是"外部办事处或合作伙伴"。任何需要与这些"外部实体"进行的数据交换，都属于 I/O 操作。

以下是操作系统中主要的 I/O 操作类型：

1. 存储设备 I/O（你最熟悉的）

这是与持久化存储设备的数据交换。

磁盘 I/O：读写硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）。例如：保存文件、加载程序、数据库查询。
光盘 I/O：从 CD、DVD、蓝光光盘读取数据。
U盘/移动硬盘 I/O。

2. 网络 I/O

这是与网络设备(网卡)的数据交换，是网络编程和互联网应用的基石。

发送数据：将数据包通过网卡发送到网络上。
接收数据：从网卡读取到来的数据包。
例子：浏览网页、发送邮件、在线视频、网络游戏。这通常不被用户直观地感知为"I/O"，但它在系统资源占用和性能上极其重要。

3. 外设 I/O

这是与用户交互或专用功能设备的通信。

键盘输入：你按下按键，对于 OS 来说就是一个输入操作。
鼠标输入：移动鼠标、点击按键，也是一系列输入操作。
显示器输出：GPU 将渲染好的帧数据输出到显示器。
打印机输出：将文档数据发送给打印机。
扫描仪输入：从扫描仪获取图像数据。
音响/耳机输出：声卡将数字音频信号输出到音响设备。
麦克风输入：声卡从麦克风录制音频信号。

4. 进程间通信（IPC - Inter-Process Communication）

这是在同一台机器上，不同进程之间交换数据。虽然数据可能没有离开主机，但它跨越了进程的"边界"，所以也是一种 I/O。

管道：一个进程的输出作为另一个进程的输入（如 shell 中的 | 操作符）。
消息队列
共享内存

一个重要的概念：为什么 I/O 很"慢"？

理解 I/O 的关键在于认识到它与 CPU 处理速度的巨大差异。

CPU 和内存（纳秒级）：处理速度极快，在纳秒级别。
I/O 设备（毫秒级甚至秒级）：
- 机械硬盘寻道需要毫秒级。
- 网络请求可能需要几十到几百毫秒。
- 等待用户键盘输入可能需要几秒甚至几分钟。

这个速度差距是几个数量级的！因此，如何高效地管理 I/O，避免让高速的 CPU 白白等待低速的 I/O 设备，就成了操作系统设计中的一个核心问题。这就引出了以下几种 I/O 模型：

操作系统中的五种主要 I/O 模型

这些模型定义了应用程序如何与操作系统协作来完成一个 I/O 操作。

阻塞 I/O ：
- 应用发起 I/O 调用后，线程被挂起，一直等待数据准备好并从内核缓冲区拷贝到用户空间后，才继续执行。
- 最简单，但性能最差，一个线程只能处理一个 I/O 流。
非阻塞 I/O ：
- 应用发起 I/O 调用后，立即返回一个错误码，不会阻塞线程。
- 应用程序需要不断地轮询内核，询问数据是否准备好。这会消耗大量 CPU。
I/O 多路复用：
- 这是 select、poll、epoll 等系统调用的核心思想。
- 应用将一个或多个 I/O 请求（如多个网络连接）注册到一个"代理"上（如 epoll）。
- 然后这个"代理"会阻塞，等待任何一个被注册的 I/O 准备就绪，然后通知应用程序哪些 I/O 可以读了/写了。
- 这是构建高性能网络服务器的关键模型（如 Nginx、Redis），可以用单个线程管理成千上万的连接。
信号驱动 I/O ：
- 应用发起一个 I/O 请求，并注册一个信号处理函数。请求发出后，线程继续执行。
- 当内核数据准备好时，会向应用发送一个 SIGIO 信号。
- 应用在信号处理函数中进行实际的 I/O 操作。
异步 I/O ：
- 应用发起一个 I/O 请求后，立即返回，继续做其他事情。
- 内核会完成整个 I/O 操作（包括等待数据和将数据拷贝到用户空间）。
- 操作完成后，内核通过某种机制（如回调函数）通知应用。
- 与信号驱动 I/O 的区别在于：AIO 是内核完成所有工作后通知；信号驱动是内核通知你"可以开始工作了"，你自己还得去拷贝数据。

总结


I/O 类型	常见例子	特点
存储 I/O	读写硬盘文件	持久化存储，速度慢（相对于内存）
网络 I/O	网页请求、数据库远程连接	高延迟，不稳定，是现代后端开发的重点
外设 I/O	键盘、鼠标、显示器	与用户交互，实时性要求高
进程间 I/O	管道、共享内存	进程间数据交换，速度较快

所以，I/O 是一个极其广泛的概念，涵盖了计算机与外界（包括用户、网络、其他设备）的所有数据交换。理解不同类型的 I/O 及其背后的模型，对于开发高效、健壮的软件至关重要。

(C): 导致线程阻塞(睡眠)的多种场景

I/O 操作 是导致线程阻塞最常见和典型的场景之一，无论是磁盘 I/O 还是网络 I/O。除了 I/O，线程阻塞（或进入非运行状态）的场景还有很多。我们可以从操作系统调度和线程生命周期的角度来系统地理解它们。

本质上，当一个线程因为某些原因无法继续执行时，操作系统就会剥夺它的 CPU 时间片，并将其置于一种"等待"或"阻塞"状态，直到某个条件被满足。

以下是导致线程阻塞的主要场景，可以归为几大类：

1. 同步原语和锁

这是多线程编程中最常见的阻塞场景，目的是为了协调对共享资源的访问，防止数据竞争。

获取锁失败
- Synchronized（Java） / Mutex（C++）：当一个线程试图获取一个已经被其他线程持有的互斥锁时，它会被阻塞，直到锁被释放。
- ReentrantLock ：与 synchronized 类似，但更灵活。调用 lock() 方法时如果锁不可用，线程会阻塞。
等待条件成立
- Object.wait() / Condition.await() ：线程在持有锁的情况下，主动调用这些方法会释放锁 并进入等待状态，直到其他线程调用 notify()/notifyAll() 或 signal()/signalAll()。这是"等待-通知"机制的核心。
计数器未就绪
- CountDownLatch ：线程调用 await() 方法会被阻塞，直到计数器减到 0。
- CyclicBarrier：一组线程必须全部到达屏障点才会继续执行。先到达的线程会被阻塞，直到最后一个线程到达。
信号量不足
- Semaphore ：线程调用 acquire() 方法时，如果许可证数量不足，线程会被阻塞，直到有其他线程释放许可证。

2. I/O 操作

这是经典阻塞场景。

网络 I/O ：当线程执行 Socket.read() 或 Socket.write() 时，如果对端数据尚未到达、网络缓冲区已满等，线程会阻塞。
磁盘 I/O：当线程读写文件时，如果数据尚未从磁盘加载到内核缓冲区，线程会等待磁盘 IO 完成。虽然现代操作系统有大量的缓存和预读机制，但在高负载或大量随机读写的场景下，阻塞仍然明显。

3. 线程协作与生命周期管理

Thread.join() ：一个线程等待另一个线程执行完毕。线程 A 执行 threadB.join()，那么线程 A 会阻塞，直到线程 B 终止。

4. 超时与定时

Thread.sleep(millis) ：这是线程主动让出 CPU，进入计时等待状态。在指定的毫秒数内，线程不会参与 CPU 调度。
Object.wait(timeout) / Condition.await(timeout)：带有超时参数的等待，避免了无限期等待。

5. 用户输入

System.in.read()：等待用户在控制台输入数据。在用户按下回车键之前，线程会一直阻塞。

总结与对比

为了更清晰地理解，我们可以将阻塞场景分为：

场景类别	具体例子	触发条件	唤醒条件
同步与锁	`synchronized`, `ReentrantLock.lock()`	请求的资源被占用	资源被释放
等待通知	`Object.wait()`, `Condition.await()`	主动等待某个条件	被其他线程通知
线程协作	`Thread.join()`	等待另一个线程结束	目标线程运行结束
I/O 操作	`Socket.read()`, `File.read()`	数据未就绪	数据就绪
主动暂停	`Thread.sleep()`	代码主动调用	指定的时间过去
用户交互	`System.in.read()`	等待用户输入	用户输入并回车

如何避免阻塞？------ 异步编程

在现代高并发操作系统中，为了避免大量线程阻塞耗尽系统资源，广泛采用了异步非阻塞的编程模型。

NIO (Non-blocking I/O) ：线程发起一个 I/O 操作后立即返回，不会阻塞。当数据就绪时，通过类似事件通知的机制（如 Selector）再来处理(比如: 在 Linux 中，NIO 的核心就是 I/O 多路复用 + 非阻塞 I/O ，而 epoll 是目前最高效的实现。它让单个线程能够处理成千上万的网络连接，这正是现代高并发服务器（如 Nginx、Redis）能够支撑海量连接的技术基础。)。
CompletableFuture (Java) / Promise (JavaScript)：代表一个异步计算的结果。你可以在其上附加回调函数，当计算完成时自动调用，而不需要阻塞等待。
Async/Await (C#, Python, JavaScript 等)：一种让异步代码写起来像同步代码的语法糖，底层仍然是基于回调或事件循环，但极大地提高了代码的可读性。