執行緒

執行緒

執行緒（Thread）是作業系統能夠進行運算調度的最小單位，被包含在進程（Process）之中，是進程中的實際運作單元。一個進程可以並發多個執行緒，每條執行緒並行執行不同的任務。

1. 資源分配：進程是資源分配的基本單位，而執行緒不擁有資源，但可以訪問其所屬進程的資源。

2. 開銷：執行緒的創建、切換和銷毀比進程更輕量，開銷更小。

3. 通信方式：執行緒間通信更為高效，因為它們共享進程的記憶體空間，而進程間通信（IPC）通常需要通過管道、訊息佇列等方式。

1. 使用者級執行緒（User Thread）

   • 由使用者空間的執行緒庫管理，核心無感知。

   • 優點：切換速度快，不依賴作業系統。

   • 缺點：一個執行緒阻塞會導致整個進程阻塞。

2. 核心級執行緒（Kernel Thread）

   • 由作業系統核心直接支援和管理。

   • 優點：多核CPU利用率高，一個執行緒阻塞不影響其他執行緒。

   • 缺點：切換開銷較大，依賴作業系統。

執行緒在其生命週期中會經歷以下狀態：

1. 新建（New）：執行緒被創建但尚未啟動。

2. 就緒（Runnable）：執行緒已準備好運行，等待CPU調度。

3. 運行（Running）：執行緒正在執行。

4. 阻塞（Blocked）：執行緒因等待某個事件（如I/O操作）而暫停運行。

5. 終止（Terminated）：執行緒完成任務或異常退出。

為避免多執行緒環境下的資源競爭和數據不一致問題，需採用同步機制：

1. 互斥鎖（Mutex）：確保同一時間只有一個執行緒訪問共享資源。

2. 信號量（Semaphore）：控制對多個共享資源的訪問。

3. 條件變量（Condition Variable）：允許執行緒在特定條件下等待或喚醒。

4. 讀寫鎖（Read-Write Lock）：區分讀寫操作，提高並發性能。

1. 提高響應性：主執行緒保持響應，後台執行緒處理耗時任務。

2. 資源共享高效：執行緒共享進程資源，通信成本低。

3. 充分利用多核CPU：並行執行提高系統吞吐量。

1. 調試困難：並發問題（如死鎖、競態條件）難以復現和定位。

2. 安全性問題：共享資源可能導致數據不一致。

3. 過度切換開銷：執行緒過多會導致上下文切換頻繁，降低性能。

1. 一對一模型：每個使用者執行緒映射到一個核心執行緒。

2. 多對一模型：多個使用者執行緒復用一個核心執行緒。

3. 多對多模型：折中方案，平衡並發能力和切換開銷。

1. 網路伺服器：並發處理多個客戶端請求。

2. 圖形使用者界面（GUI）：避免主執行緒阻塞，保持界面流暢。

3. 科學計算：並行處理大規模數據或複雜計算。

執行緒是現代計算中實現並發編程的核心技術，通過合理設計和同步機制，能夠顯著提升程式性能和資源利用率，但也需謹慎處理其帶來的複雜性問題。