线程：并发执行单元与线程模型

一句话定义

线程是 CPU 调度的基本单位：同一进程内的多个线程共享地址空间与资源，各自拥有独立的栈、寄存器上下文与调度状态。

为什么重要

进程解决了隔离，线程解决了"同一程序内并发"的效率问题：共享内存使数据交换零拷贝，切换成本低于进程切换（kp-006）。但共享也是一切并发 bug 的根源——从本节起，竞态、锁、死锁（kp-011~kp-015）的故事都发生在多个线程同时读改同一内存的场景里。

前置知识

kp-005（进程与 PCB）；kp-006（切换成本差异的原因）。

核心概念

• 线程私有：栈、寄存器组、程序计数器、errno 等线程局部数据。
• 线程共享：地址空间（代码、全局变量、堆）、打开文件表、信号处理、子进程。
• KLT（内核级线程）：内核直接调度，可利用多核，切换需陷入内核。
• ULT（用户级线程）/ 协程：用户态库自行调度，切换极廉价，但内核看不到，阻塞系统调用会拖累全部线程。
• M:N 模型：M 个用户线程映射到 N 个内核线程，试图兼得，复杂度高（Go 的 goroutine 调度器是其现代代表）。
• TCB：线程控制块，内核或库中记录线程状态的机构。

原理与机制

单线程与多线程进程的内存布局对比：

单线程进程                 多线程进程（4 线程）
+-----------+             +-----------+
|  栈        |             | 栈4 栈3   |
|  (向下长)  |             | 栈2 栈1   |   每线程一个独立栈
+-----------+             +-----------+
|  空闲      |             |  空闲      |
+-----------+             +-----------+
|  堆        |             |  堆        |   共享：分配器需并发安全
|  全局数据   |             |  全局数据   |   共享：需要同步保护
|  代码      |             |  代码      |   共享（只读）
+-----------+             +-----------+

pthread 的最小骨架（C）：

#include <pthread.h>
void* worker(void* arg) { return NULL; }
int main(void) {
    pthread_t tids[4];
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        pthread_create(&tids[i], NULL, worker, NULL);
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        pthread_join(tids[i], NULL);   /* 等待结束，等价于线程版 wait */
    return 0;
}

编译 gcc -pthread demo.c；线程默认栈 8MB（虚拟地址空间预留，物理内存按需分配，呼应 kp-019）。

直观类比

进程像各自开火做饭的分租公寓（独立厨房互不影响但串门麻烦），线程像一家人共用一个厨房（共享冰箱省事，但两个人同时抢一个锅就会出事故——竞态条件，见 kp-011）。

实例或案例

ps -Lf <pid>          # 列出进程的所有线程（LWP 号即内核线程 ID）
ulimit -s             # 查看线程默认栈上限
top -H -p <pid>       # 按线程维度观察 CPU 占用（Java/JVM 排障常用）

典型案例：Web 服务器"每连接一线程"模型在线程数过万时切换与内存开销失控，引出 kp-028 的事件驱动与 io_uring；"线程池为什么设成核数到 2 倍核数"是 kp-010 调度与 Amdahl 定律（kp-032）的联合应用题。

常见误区

• 线程数越多吞吐越高：超过物理核数后收益递减，切换与锁争用反而拉低性能。
• 把局部变量当线程安全：局部变量在私有栈上天然隔离，但通过指针泄漏出去就不再安全。
• 认为 ULT 已被淘汰：协程在 I/O 密集服务中复兴（goroutine、async/await），其代价与 ULT 时代一致——阻塞调用与调度公平性。

与其他知识点的关系

kp-011 起的整个并发模块都以多线程为背景；kp-029 容器以 cgroup 限额的就是一组进程/线程；kp-032 用 Amdahl 定律量化"多线程提速上限"。

延伸阅读

《现代操作系统》第 2 章线程节；Ousterhout 1996 年"Why Threads Are a Bad Idea"作为反方视角。

自测题

1. 线程间共享哪些资源、私有哪些资源？

答：共享地址空间（堆、全局数据、代码）、打开文件表与信号处理；私有栈、寄存器上下文与程序计数器。

1. KLT 与 ULT 的核心权衡是什么？

答：KLT 由内核调度、能用多核且单线程阻塞不拖累他人，但切换要陷入内核；ULT 切换廉价且调度灵活，但无法利用多核、一个线程阻塞系统调用会让整组线程停摆。

1. 为什么多线程的堆分配器必须特殊设计？

答：多个线程并发 malloc/free 操作同一堆元数据，若不加锁或分区（如 tcmalloc 的线程缓存）就会产生竞态条件。