第十三课：线程（Thread）

一、先回顾：什么是进程？

我们已经学过：

进程 = 正在运行的程序。

例如：

你打开：

微信

操作系统会：

创建PCB

↓

分配内存

↓

分配资源

↓

进入就绪队列

↓

开始运行

所以：

微信：

就是：

一个进程。

---

二、一个问题

假设：

现在：

微信正在运行。

它同时：

聊天

↓

下载图片

↓

播放语音

↓

接收消息

请问：

这些事情：

是不是：

严格一个接一个做？

如果：

下载图片的时候。

聊天必须暂停。

用户会觉得：

微信：

非常卡。

所以：

需要：

同时做很多事情。

---

三、是不是开很多个进程？

一种办法：

聊天：

一个进程

下载：

一个进程

语音：

一个进程

可以吗？

可以。

但是：

问题来了。

每个进程：

都有：

PCB

内存

页表

文件描述符

资源……

是不是：

太浪费了？

例如：

三个微信进程。

都需要：

加载：

微信程序。

重复占用很多资源。

---

四、于是：线程诞生了

操作系统设计者想到：

既然这些功能都属于同一个微信，为什么不共享资源？

于是：

把一个进程：

拆成：

很多：

线程（Thread）。

所以：

现在：

微信：

变成：

微信进程
│
├── 聊天线程
├── 下载线程
├── 网络线程
├── 语音线程
└── 界面线程

这些：

都是：

线程。

---

五、什么是线程？

教材定义：

线程是CPU调度和分派的基本单位。

这一句话：

很多同学第一次看。

完全不知道什么意思。

我们换成人话。

以前：

CPU：

调度：

QQ进程

↓

浏览器进程

现在：

CPU：

调度：

聊天线程

↓

下载线程

↓

播放线程

所以：

以前：

CPU调度：

进程。

现在：

CPU真正调度的是：

线程。

这句话非常重要。

---

六、为什么线程叫"轻量级进程"？

很多教材会说：

线程是轻量级进程（Lightweight Process）。

为什么？

来看对比。

---

一个新进程：

需要：

创建PCB

↓

申请内存

↓

建立页表

↓

建立文件表

↓

建立资源

是不是：

很麻烦？

而：

线程：

只需要：

创建TCB（线程控制块）

↓

加入调度

资源：

直接：

共享。

所以：

线程：

创建速度：

非常快。

切换：

也快。

因此：

叫：

轻量级进程。

---

七、线程共享什么？

这是考试最喜欢问的问题。

假设：

微信：

一个进程。

里面：

五个线程。

它们：

共享：

代码（程序）

数据（全局变量）

堆（Heap）

打开的文件

内存空间

例如：

聊天线程：

下载了一张图片。

下载线程：

放到：

内存。

聊天线程：

立刻：

就能看到。

为什么？

因为：

共享内存。

---

八、线程独有的是什么？

虽然共享很多东西。

但是：

每个线程：

也必须有自己的内容。

例如：

聊天线程：

运行到了：

第100行代码。

下载线程：

运行到了：

第500行。

是不是：

不能：

共用：

程序计数器？

否则：

CPU不知道：

恢复到哪里。

所以：

每个线程：

都有：

程序计数器（PC）

寄存器

栈（Stack）

线程状态

这些：

不能共享。

---

九、一张图彻底理解

微信进程
        ┌────────────────────┐
        │ 代码区             │
        │ 数据区             │
        │ 堆(Heap)           │
        │ 打开的文件         │
        └────────────────────┘
             ▲      ▲      ▲
             │      │      │
      ┌──────┘      │      └──────┐
      │             │             │
┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
│聊天线程  │ │下载线程  │ │界面线程  │
│PC        │ │PC        │ │PC        │
│寄存器    │ │寄存器    │ │寄存器    │
│栈        │ │栈        │ │栈        │
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘

记住：

上面共享。

下面独立。

---

十、为什么线程切换更快？

我们以前学过：

进程切换：

需要：

保存PCB

↓

切换页表

↓

切换地址空间

↓

恢复PCB

很慢。

而：

线程切换。

因为：

共享：

代码

内存

页表

所以：

不用：

重新建立。

只需要：

保存：

线程现场

↓

恢复：

另一个线程现场

因此：

线程切换：

快得多。

---

十一、进程和线程对比（★★★★★）

这是考试一定会考的表格。

比较内容	进程	线程
定义	资源分配的基本单位	CPU调度的基本单位
是否拥有独立地址空间	有	没有（共享进程地址空间）
创建开销	大	小
切换开销	大	小
通信	较复杂（IPC）	简单（共享内存）
崩溃影响	一般不影响其他进程	一个线程出错可能导致整个进程崩溃

---

十二、一个非常经典的例子

为什么：

Chrome：

一个浏览器。

打开一个网页。

任务管理器里面：

却看到：

很多线程？

因为：

浏览器：

通常会：

主线程

↓

渲染线程

↓

网络线程

↓

JavaScript线程

↓

GPU线程

大家：

一起工作。

所以：

浏览器：

很流畅。

---

十三、为什么多线程会带来新问题？

如果：

两个线程：

同时：

修改：

余额

例如：

账户：

100元。

线程A：

取：

50

线程B：

同时：

取：

80

如果：

没有协调。

最后：

余额：

可能：

变成：

50

20

甚至：

-30

都有可能。

为什么？

因为：

两个线程：

同时：

访问：

共享数据。

于是：

新的问题：

出现了。

这就是：

线程同步（Synchronization）

也是操作系统最经典的一章。

“为什么两个线程同时执行，会算错结果？”

如果这一课理解了，后面的：

都会变得非常容易。

---

这一课我们先不讲任何公式。

只讲：

为什么需要同步？

---

第一部分：一个银行案例

假设：

你的银行卡里面有：

100 元

现在：

你同时：

微信支付

+

支付宝支付

都要扣：

50 元。

正常结果：

100

↓

50

↓

0

余额：

应该：

0 元

没有问题。

---

第二部分：真正发生了什么？

其实。

CPU执行：

不是：

一句话。

而是：

很多条指令。

例如：

微信：

实际上：

可能这样。

① 读取余额

② 计算余额

③ 写回余额

支付宝：

也是：

① 读取余额

② 计算余额

③ 写回余额

注意！

这里：

问题来了。

---

第三部分：最经典的错误

假设：

CPU：

先执行：

微信。

第一步：

余额：

100

微信：

读取：

100。

但是：

还没有：

写回。

CPU：

突然：

切换。

去执行：

支付宝。

支付宝：

读取：

余额。

注意。

此时：

余额：

还是：

100

因为：

微信：

还没：

写回。

于是：

支付宝：

计算：

100-50

=

50

写回。

余额：

变成：

50

然后。

CPU：

又回来。

继续：

微信。

微信：

认为：

余额：

还是：

100。

因为：

它：

之前：

已经：

读出来了。

于是：

微信：

也写回：

50

最后：

余额：

是多少？

50

但是：

明明：

扣了：

两次：

50。

正确答案：

应该：

0

是不是：

出错了？

---

第四部分：为什么出错？

因为：

两个线程：

同时：

修改：

同一块数据。

这种情况：

叫：

竞争条件（Race Condition）

教材定义：

多个线程（或进程）同时访问共享数据，结果依赖执行顺序。

记住：

关键词：

同时。

---

第五部分：共享数据叫什么？

例如：

银行卡余额。

多个线程：

都能访问。

这种资源：

叫：

临界资源（Critical Resource）

例如：

银行卡余额

打印机

共享变量

共享文件

共享内存

都是：

临界资源。

为什么？

因为：

一次：

只能：

一个线程：

修改。

---

第六部分：访问共享资源的代码

来看代码。

balance = balance - 50;

你觉得：

是不是：

一条语句？

实际上：

CPU：

会拆成：

读取 balance

↓

减50

↓

写回 balance

所以：

这一段代码：

必须：

连续执行。

不能：

执行到一半。

被别人：

插进来。

这段代码：

叫：

临界区（Critical Section）

教材定义：

访问临界资源的代码。

记住：

不要混。

很多同学：

分不清。

---

临界资源 vs 临界区

这是考试最喜欢出的选择题。

名称	是什么
临界资源	被共享的数据或设备
临界区	操作临界资源的那段代码

例如：

余额

属于：

临界资源。

而：

balance = balance - 50;

属于：

临界区。

---

第七部分：怎么解决？

最简单的方法。

规定：

一次：

只能：

一个线程：

进入。

例如：

微信：

正在：

修改余额。

支付宝：

必须：

外面：

等待。

直到：

微信：

完成。

才能：

进入。

于是：

执行顺序：

变成：

微信

↓

全部执行完成

↓

支付宝

是不是：

就不会：

错？

这就是：

互斥（Mutual Exclusion）

---

第八部分：什么叫同步？

很多人：

容易混。

其实：

同步：

不是：

一起执行。

而是：

按照规定的顺序执行。

例如：

打印。

必须：

编辑完成

↓

才能打印。

不能：

文件：

还没写好。

打印机：

已经：

开始打印。

这就是：

同步。

---

第九部分：同步和互斥区别（★★★★★）

这是最容易考的地方。

互斥

两个线程：

抢：

同一个资源。

例如：

微信

↓

余额

↑

支付宝

必须：

一个一个来。

关键词：

竞争。

---

同步

例如：

生产者：

先生产。

消费者：

后消费。

必须：

有顺序。

关键词：

协作。

---

一张图理解

互斥：

A ----\
        \
         临界资源
        /
B ----/

同步：

生产

↓

放入缓冲区

↓

消费者取走

一个：

解决：

竞争。

一个：

解决：

先后顺序。

---

第十部分：进程同步四大原则（★★★★★）

教材：

一定会讲。

必须记住。

---

① 空闲让进

如果：

没人：

使用。

那么：

别人：

应该：

马上：

进去。

不能：

空着。

---

② 忙则等待

如果：

已经：

有人：

在里面。

别人：

必须：

等待。

不能：

一起。

---

③ 有限等待

不能：

一直：

等。

否则：

有人：

永远：

进不去。

就是：

饥饿。

所以：

必须：

保证：

最终：

轮到。

---

④ 让权等待

如果：

不能：

进入。

不要：

一直：

占CPU。

应该：

睡觉。

等：

别人：

叫醒。

这个原则：

后面：

信号量：

会详细讲。

---

第十一部分：生活例子

厕所。

只有：

一个坑位。

是不是：

典型：

临界资源？

有人：

进去。

别人：

只能：

外面：

排队。

是不是：

互斥？

等：

里面：

出来。

外面：

进去。

是不是：

同步？

整个过程：

是不是：

满足：

四个原则？

这就是：

操作系统。

---

第十二部分：为什么现代程序越来越重视同步？

因为：

现在：

CPU：

越来越多核。

例如：

8核

16核

32核

多个线程：

真的：

同时：

运行。

如果：

没有：

同步。

程序：

很容易：

数据错乱。

所以：

现代编程：

几乎：

离不开：

同步。

---

第十三部分：本课重点（★★★★★）

必须记住

✅ 竞争条件（Race Condition）

多个线程同时访问共享数据，结果依赖执行顺序。

---

✅ 临界资源

一次：

只能：

一个线程：

访问。

---

✅ 临界区

访问临界资源：

那段代码。

---

✅ 互斥

解决：

竞争问题。

一次：

一个线程。

---

✅ 同步

解决：

协作顺序。

谁先。

谁后。

---

第十四部分：一句口诀

一定要背下来：

资源叫临界，

代码叫临界区；

抢资源叫互斥，

按顺序叫同步。