前言
在平时的开发过程中，我们经常会用到多线程解决问题。比如，我们在网路请求或者其他耗时操作时，一般都会使用多线程来异步执行。但是多线程到底是什么呢？使用多线程是为了解决什么问题的呢？多线程是真正的并发吗？本篇我们就来探索下这些问题，本篇主要探究多线程的原理，对于具体的使用留待以后探索。
一、线程与进程
- 进程：进程是只在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的实体。
- 线程：线程是系统中独立运行和独立调度的基本单位，线程比进程更小，基本不拥有系统资源。
像上面这样的进程和线程的定义，我们已经听过很多个版本了，但是对于我们真正理解线程和进程的帮助却并不大。为什么线程不拥有资源，而进程拥有资源？两者在运行时有很多的相似性，为何在进程之后又要引入线程呢？下面我们就一起来探索下。
1.1 操作系统简介
在探索线程和进程之前，我们先来了解下操作系统。操作系统是一个连接用户与计算机硬件系统的接口，通过操作系统，用户可以更方便、快捷、安全可靠的操纵计算机硬件和运行自己的程序。其作用可以参照下图：
操作系统的类型有很多，但是一般来说其目标包括 有效性、方便性、可扩充性、开放性。其中最为重要的就是 有效性和方便性。
- 有效性包含两个方面
- 提高系统资源利用率，例如CPU、I/O设备等，使得这些资源保持忙碌的状态，避免空闲闲置。
- 提高系统的吞吐量，通过合理地组织计算机工作流程，进一步改善资源利用率，缩短程序运行周期。
- 方便性主要是指使用户可以更加方便的使用计算机系统，例如最开始需要用0和1的机器代码，到使用一些封装好的命令，再到后来的使用图形用户界面来操作，是的计算机变得易学易用。
为了实现这些目标，操作系统经历了人工操作方式 -> 单道批处理系统 -> 多道批处理系统的发展过程。其实还有分时系统和实时系统的发展，但是与进程的引入关联不大，因此这里就不介绍了。
- 人工操作方式：即最开始的卡带、纸片式的计算机，此时需要人工进行装带、卸带的操作，资源的利用率以及程序的执行效率都较为低下。
- 单道批处理系统：随着计算机技术的发展，为了提高资源利用率，人们发展出了脱机输入/输出方式。单道批处理系统即是该方式的应用，一批作业以脱机方式输入到磁带中，并在系统中配备监督程序，由监督程序控制作业的执行。其处理过程如下：
单道批处理系统可以将一批作业放入磁带中，由监视程序控制将作业依次调入内存，然后由计算机依次执行。当一个作业执行完毕后，再调下一个作业执行，直到所有作业执行完毕。由于自始自终都只保持一道作业，所以这种系统被称为单道批处理系统。举个例子，程序运行情况如下：
- 多道批处理系统：单道批处理系统解决人工装卸带的问题，但是一次只能执行一道作业，如果该作业运行时需要I/O操作，那么CPU就空闲了，同样的CPU操作时，I/O也是空闲的，这就造成了资源的空闲，而且由于I/O设备的低速性，CPU的利用率显著降低，后续的作业就会存在无谓的等待。于是就产生了多道处理批处理系统，来提高资源的利用率。
下面以 程序A、程序B、程序C、程序D 的运行情况展示下这一过程：
从图中可以看出，在程序A进行 I/O请求 时，程序C就可以开始执行了，并且在CPU的利用上也有很大的提高，两个或者多个程序可以同一时间段内利用CPU进行并发执行。
以上简单介绍了操作系统的发展历程，其实无论是多道批处理系统，还是实时、分时系统，都具有几个特征，并发、共享、虚拟和异步，其中并发是最为重要的特征，其他三个特征均以并发为前提。下面先简单介绍下这几个特征：
- 并发性是指两个或多个事件在同一时间段内发生，需要区分的另一个概念是 并行，并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。在多道批处理系统中，并发指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行。
- 共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。相应的这种资源被称为共享资源，共享的方式又分为互斥共享方式和同时访问方式。
- 虚拟性，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。前者是真实存在的，后者是虚的，让用户感觉存在而已，例如虚拟内存。
- 异步性是因为并发执行的过程中，各个进程并不是一气呵成的执行完毕，而且有的进程侧重于CPU计算，有的侧重于I/O，很可能出现先进入内存的作业后执行完成，后进入的内存先执行完毕，这就是操作系统的异步性。
1.2 进程与线程的由来
通过多道批处理系统的引入，可以发现确实提高了CPU等资源的利用率，但是如果分开看每一个程序的执行过程，程序的执行依然是顺序执行，即CPU执行时，I/O不能执行，而在I/O请求时，CPU也处于空闲。如果程序都能并发执行，则可以大大提高资源的利用率。
为了解决这样的问题就引入了进程。在引入进程后，将CPU计算程序和I/O程序各自建立一个进程，这两个进程可以并发的执行。因而可以将 CPU 和 I/O设备同时开动起来，实现并行工作。除此之外，还可以将各个程序分别建立进程，建立进程后，各个程序也可以实现并发执行，也可以提高资源的利用率与系统吞吐量。
总结下来，引入进程的作用有两点：
- 1、可以为不同的程序单独建立进程，以实现程序的并发执行
- 2、对于同一个程序，可以分别建立CPU计算和I/O程序的进程，以达到CPU计算和I/O的并发，减少CPU的空闲。
进程与程序的区别：
-
结构特征：程序是指一组计算机能够识别的指令，不能独立运行，程序想要独立运行需要为之配置进程控制块PCB(Progress Control Block)；而进程是包含程序段、程序相关数据段以及进程控制块(PCB)的一个能够独立运行的实体
-
动态性：程序是一组有序指令的集合，存放于某种介质上，例如磁盘，本身不具有动态性；进程实质上是进程实体的一次执行过程。
-
并发性：多个进程实体可以同存于内存中，在同一段时间内可以同时运行。而程序不能独立运行，更谈不上并发运行
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独立性：进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位；而程序未建立PCB不能独立运行。
-
异步性：进程按各自独立的、不可预知的速度运行推进；程序不能独立运行。
由上所述，我们可以说进程是程序的一次执行，是一个程序及其数据在处理机上执行时所发生的活动。在这一活动过程中，进程会被分配所必须的资源，并会接受系统的调度。由此我们也就可以理解本篇开始时的说法 -- 进程是系统进行资源分配和调度的基本单位。
引入进程的目的是为了使多个程序可以并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量，并且进程拥有独立的资源。由此也引发一个问题，系统在操作进程时，会引起较大的时空开销，比如：
- 创建进程要为其分配必需的内存等资源以及建立相应的PCB
- 撤销进程时需要先将其资源回收并撤销PCB
- 在切换进程时则需要保存当前进程的CPU环境，并设置新进程的CPU环境
为了减少这种时空消耗，人们想到了是否可以将进程的这两种属性分隔开处理，即作为资源分配的基本单位，但不会频繁地调度和切换，而作为调度和切换的基本单位，又不拥有资源。因此，人们引入了线程的概念。
线程作为程序运行和系统调度的基本单位，在创建、撤销以及切换时的系统开销远小于进程，通常一个进程可以包含多个线程，线程与进程的区别有以下几点：
- 系统调度：进程的调度会引起进程的切换，开销较大；同一进程的线程在切换时，不会引起进程切换开销较小，但是由一个进程的线程切换到另一个进程的线程时，同样会引起进程的切换
- 并发性：进程和线程都具有并发性。但是引入线程可以更大的提升并发性。例如一个系统中只有一个文件处理进程，如果没有引入线程，当该进程在被阻塞时，其它需要使用文件处理的进程就需要等待，而引入线程后，可以在文件进程中存在多个线程，即便正在运行的线程阻塞了，也可以有其它线程继续提供服务，从而提高了文件服务的质量和系统吞吐量。
- 拥有资源：进程拥有自己的资源；线程一般不拥有资源，但是可以访问所属进程的资源，属于同一进程的线程共享该进程的资源。
- 系统开销：进程的创建、撤销及切换都需要进行资源的分配或回收以及PCB的创建或回收。而线程则不需要。所以就系统开销来看，进程远高于线程。
1.3 进程与线程的状态
进程和线程都有三种基本状态，即就绪、执行和阻塞。这三种状态的解释分别如下：
- 就绪：当进程已经分配到除CPU以外的资源，只要再得到CPU，便可立即执行，这一状态被称为就绪状态。在这一状态的进程形成一个队列，被称为就绪队列。
- 运行：进程已经获取到CPU，程序正在执行的状态被称为运行状态。
- 阻塞：正在执行的进程由于某些原因暂时无法继续执行，便放弃CPU，处于暂停状态，即进程受到阻塞了，这一状态被称为阻塞状态。
三种状态的转换图如下：
为了管理需要，还存在两种常见的状态，即创建和终止
- 创建状态：创建状态是指进程创建成功(PCB创建成功)，但是还未进入内存，不能被调度，此时为创建状态，一旦进入内存，即为就绪状态
- 终止状态：当一个进程自然结束，或者出现了无法克服的错误，或者被系统及其它有终止权力的进程所终止时，进程进入终止状态，此时进程无法再执行，但操作系统中依然保留一个记录，直到其它进程完成对终止状态进程的信息提取后，操作系统将删除该进程。
五状态的转换图如下：
二、资源抢夺
在上一小节中，探索了进程和线程的由来及状态，我们可以发现，除了不拥有资源外，线程在很多时候与传统的进程有很大的相似性。在后续的探索中，我们主要以线程为主。
线程的异步性使得资源利用率和系统吞吐量都有很大程度的提高，但是在异步执行过程中，不同线程的执行速度是不一样的，所以就带了对于临界资源的资源抢夺问题，比如我们经常会看到的买票抢票的问题，就是一个经典的资源抢夺问题。下面通过伪代码展示一下：
db.ticketCount = 5; // 余票剩余5张
ticket.count = db.ticket; // 看到的当前票量
乘客A的购票步骤，在线程 A
A.buyTicket(1);
ticket.count = ticket.count - 1;
db.ticketCount = ticket.count; // 写入数据库中的剩余票量
乘客B的购票步骤，在线程 B
B.buyTicket(1);
ticket.count = ticket.count - 1;
db.ticketCount = ticket.count; // 写入数据库中的剩余票量
复制代码上述的步骤如果分别单独执行，结果均为4，是没有问题的；即使是一起执行，如果是顺序的，例如先A后B，或者先B后A，结果为3，也和我们期待的一致。但是如果是下面这种顺序执行，结果就有了问题：
A.buyTicket(1); // 此时A获取到的count为5
B.buyTicket(1); // 此时B获取到的count也为5
ticket.count = ticket.count - 1; // A中ticket.count-1，结果为4
ticket.count = ticket.count - 1; // B中ticket.count-1，结果为4
db.ticketCount = ticket.count; // A写入数据库count为4
db.ticketCount = ticket.count; // B写入数据库count为4
复制代码由以上伪代码可以看出，最终写入数据库的count为4，但是实际上经过两次购票，结果应该为3，很显然不是我们期待的结果，这便是多线程的资源抢夺问题。
在上述例子中，两个线程A和B共同修改票的余量count，这便构成了 A 和 B 对 count 的抢夺，count便为共享资源。为了防止这种资源抢夺导致的数据错乱，我们需要保证 A 和 B 对 count 的访问是互斥的，即 A 在访问 count 时，B不得访问，同理 B 访问 count 时， A也不得访问。此时 count 便成为了临界资源，即诸进程采用互斥访问的资源。
三、线程安全
上一小节所描述的资源抢夺，极大的可能会引起一个严重的问题，即线程安全。就如上述例子中所说的一样，多线程环境下，由于并发性的存在，极有可能造成数据的不一致性，而这在实际的开发过程中会引发很严重的后果，例如显示的车票还有余额，但实际上车票已经卖完了，这也就凸显了线程安全的重要性。
为了保证线程安全，就需要保证各个线程对于临界资源的访问时互斥的。如今有两种方式来保证线程的互斥访问，原子指令和线程同步。
- 原子指令：大多数的系统都会提供一些单指令的原子指令，单条指令的执行不会被打断，所以原子指令的使用非常方便，但是仅适用于比较简单特定的场合，对于复杂的场景原子指令就力不从心了。
- 线程同步：所谓同步，即一个线程访问资源时，其它线程不能访问该资源，如此将对资源的访问原子化了。
实际上线程同步，是对多个相关的线程在执行次序上进行协调，以使得并发执行时可以有效地共享资源和相互合作。目前实现线程同步的方式主要就是锁。每个线程在访问临界资源前，先尝试获取锁，获取成功就可以访问临界资源；当访问资源结束后，则需要释放锁。在锁被占用时，线程会等待，直到锁重新可用。
总结
本篇主要介绍了多线程的一些基本概念，例如进程与线程、资源抢夺和线程安全等，还有很多概念没有在本篇博客中描述，例如锁的分类、以及死锁的原因等等，这些将在后续篇章中继续探索。对于本篇中的概念，描述不正确的地方，欢迎大家指正。