线程与进程
简介
本文介绍进程与线程的基本概念以及它们之间的关系和区别，不同操作系统对线程的实现方式以及 Java 线程模型的特点，上下文切换、并发与并行。
进程
存储在硬盘的静态文件（源代码），通过编译后生成二进制可执行文件，当运行这个可执行文件后，它会被加载到内存中，接着 CPU 会执行程序中的每一条指令，即运行中的程序，就被称为进程（Process）。
线程
线程（Thread）是进程内的执行单元，是 CPU 调度的基本单位。每个进程至少包含一个线程（主线程），也可以创建多个线程来执行不同的任务。
进程与线程区别
| 特性 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 定义 | 运行中的程序的实例，是系统进行资源分配和调度的基本单位 | 进程中的执行单元，是 CPU 调度的基本单位 |
| 资源占用 | 拥有独立的内存空间、文件描述符等系统资源 | 共享所属进程的内存空间和资源 |
| 通信方式 | 进程间通信（IPC）：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接字等 | 线程间可直接通过共享变量通信 |
| 切换开销 | 切换开销大，涉及到虚拟内存、页表等切换 | 切换开销小，只需保存和恢复少量寄存器内容 |
| 创建销毁开销 | 创建和销毁开销大 | 创建和销毁开销小 |
| 并发性 | 多进程并发 | 多线程并发 |
| 健壮性 | 一个进程崩溃不会影响其他进程 | 一个线程崩溃会导致整个进程崩溃 |
线程实现
不同操作系统对线程的实现方式有所不同，主要可以分为三种实现模型：用户级线程模型、内核级线程模型和混合线程模型。
1. 用户级线程模型（User-Level Threads）
用户级线程是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知用户级线程的存在。
特点：
线程管理在用户空间完成，不需要内核支持
线程切换无需切换到内核态，开销小
可以实现特定的调度算法
可以支持大规模的线程数量
缺点：
一个阻塞型系统调用会导致整个进程阻塞
无法利用多处理器的并行能力
2. 内核级线程模型（Kernel-Level Threads）
内核级线程（KLT）是由操作系统内核支持的线程，系统内核负责线程的创建、调度和管理。
特点：
内核直接支持和管理线程
一个线程阻塞不会导致整个进程阻塞
可以充分利用多处理器的并行能力
缺点：
线程创建和切换的开销较大
线程数量受系统资源限制
3. 混合线程模型（Hybrid Threading Model）
混合模型结合了用户级线程和内核级线程的优点，实现了多对多的线程映射关系。
特点：
结合了用户级和内核级线程的优点
可以同时支持大量线程和多处理器并行
灵活性更高
实现方式：
多对一模型（M:1）：多个用户线程映射到一个内核线程，即上述的用户级线程模型
一对一模型（1:1）：每个用户线程映射到一个内核线程，即上述的内核级线程模型
多对多模型（M:N）：M 个用户线程映射到 N 个内核线程，综合了前两种模型的优点
不同编程语言对线程的实现采用了不同的模型：
| 语言/平台 | 线程模型 | 特点 |
|---|---|---|
| Java (传统线程) | 1:1 模型 | 每个 Java 线程映射到一个操作系统线程，重量级 |
| Java (Virtual Threads, Java 21+) | M:N 模型 | 大量虚拟线程映射到少量操作系统线程，轻量级 |
| Go (goroutine) | M:N 模型 | 轻量级协程，可以创建数十万个 |
| Python (CPython) | 用户级线程 | 受全局解释器锁 (GIL) 限制，无法真正并行 |
| Node.js | 事件循环 + 线程池 | 主线程处理事件循环，线程池处理阻塞操作 |
| C/C++ (POSIX threads) | 1:1 模型 | 直接映射到操作系统线程 |
Java 线程模型
Java 采用基于操作系统原生线程的一对一线程模型，具有以下特点：
Java 线程与操作系统线程直接映射：每个 Java 线程对应一个操作系统线程
线程调度依赖操作系统：线程的调度由操作系统完成，JVM 不负责线程调度
线程优先级映射：Java 线程的优先级会映射到操作系统线程的优先级，但具体映射关系依赖于操作系统
轻量级进程（LWP）：在某些系统上，Java 线程实际上是基于轻量级进程实现的
注意
与 Go 语言的协程（goroutine）不同，Java 的线程是重量级资源，创建和销毁成本较高。Java 21 引入的虚拟线程是对此问题的解决方案。
上下文切换
上下文切换（Context Switch）是指 CPU 从一个线程或进程切换到另一个线程或进程的过程。在这个过程中，需要保存当前线程的状态（上下文），并加载另一个线程的状态。
什么是线程上下文
线程上下文包括：
寄存器状态：包括程序计数器（PC）、堆栈指针等
线程特有数据：如在 Java 中的 ThreadLocal 变量
内存映射信息：线程当前访问的内存区域
资源句柄：线程打开的文件描述符等
调度信息：优先级、状态等
上下文切换的过程
一次完整的上下文切换主要包括以下步骤：
保存当前线程上下文：将当前线程的寄存器值、程序计数器等保存到内存中
选择下一个要运行的线程：调度器根据调度算法选择下一个线程
恢复下一个线程的上下文：从内存中加载目标线程的寄存器值、程序计数器等
切换到新线程执行：CPU 开始执行新线程的指令
并发与并行
并发和并行是多线程编程中两个核心概念，二者有本质区别，理解这些差异有助于设计高效的多线程应用。
并发（Concurrency）
并发是指在同一时间段内，多个任务交替执行。从宏观上看，这些任务似乎是同时进行的，但从微观上看，在单核处理器上，任意时刻只有一个任务在执行。
特点：
多个任务交替执行，轮流使用 CPU
适用于 I/O 密集型任务
通过时间片轮转实现
目标是提高资源利用率和响应性
并行（Parallelism）
并行是指在同一时刻，多个任务真正同时执行。这要求系统具有多核处理器或多处理器架构，每个核心同时处理不同的任务。
特点：
多个任务同时执行
需要多核/多处理器环境
适用于计算密集型任务
目标是提高吞吐量和计算速度
并发与并行的比较
下表详细比较了并发和并行的主要特性：
| 特性 | 并发 | 并行 |
|---|---|---|
| 定义 | 多个任务交替执行 | 多个任务同时执行 |
| 执行方式 | 时间片轮转 | 真正的同时执行 |
| 硬件要求 | 单核即可 | 需要多核/多处理器 |
| 资源竞争 | 存在竞争，需要同步 | 各自独立执行，潜在竞争少 |
| 复杂度 | 通常更复杂（需处理竞态条件） | 相对简单（数据隔离时） |
| 适用场景 | I/O 密集型、交互型应用 | 计算密集型、数据处理 |
| 设计重点 | 资源共享和同步 | 任务分解和负载均衡 |
| 可扩展性 | 受单核性能限制 | 可随核心数增加而线性扩展 |