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一. 背景介绍

1. 进程的产生

最初的计算机只能接受一些特定的指令，用户每输入一个指令，计算机就做出一个操作。当用户在思考或者输入时，计算机就在等待。这样效率非常低下，在很多时候，计算机都处在等待状态。

后来出现了批处理操作系统,把一系列需要操作的指令写下来，形成一个清单，一次性交给计算机。 但是运行方式仍然是串行的，内存中始终只有一个程序在运行，效率也不高。

随着人们对计算机性能要求越来越高，批处理显然不能满足需求。于是进程的概念被提了出来。 进程就是应用程序在内存中分配的空间，也就是正在运行的程序，各个进程之间互不干扰。同时进程保存着程序每一个时刻运行的状态。

💻如果把计算机CPU比作一个工厂，那么进程就是工厂中的单个车间。由于工厂的电力（CPU的处理能力）有限，每次只能有一个车间进行工作。

2.线程的产生

随着对操作系统的要求进一步提高 虽然进程的出现，使得操作系统的性能大大提升，但是随着时间的推移，人们并不满足一个进程在一段时间只能做一件事情，如果一个进程有多个子任务时，只能逐个得执行这些子任务，很影响效率。 于是人们又提出了线程的概念，让一个线程执行一个子任务，这样一个进程就包含了多个线程，每个线程负责一个单独的子任务。

📡如果进程比作车间的话，那么线程就是车间里工人，他们一起来完成某些工作。

二. 线程的设计

1.共享内存

车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。、

可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

2.互斥锁

一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫 "互斥锁"（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。

3.信号量

还有些房间，可以同时容纳 n 个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于 n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。

这时的解决方法，就是在门口挂 n 把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做 "信号量"（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

三.上下文切换

上下文切换（有时也称做进程切换或任务切换）是指 CPU 从一个进程（或线程）切换到另一个进程（或线程）。上下文是指某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容。

寄存器是cpu内部的少量的速度很快的闪存，通常存储和访问计算过程的中间值提高计算机程序的运行速度。

程序计数器是一个专用的寄存器，用于表明指令序列中 CPU 正在执行的位置，存的值为正在执行的指令的位置或者下一个将要被执行的指令的位置，具体实现依赖于特定的系统。

举例说明 线程A - B

1.先挂起线程A，将其在cpu中的状态保存在内存中。

2.在内存中检索下一个线程B的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复,执行B线程。

3.当B执行完，根据程序计数器中指向的位置恢复线程A。

CPU通过为每个线程分配CPU时间片来实现多线程机制。CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。

但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

上下文切换通常是计算密集型的，意味着此操作会消耗大量的 CPU 时间，故线程也不是越多越好。如何减少系统中上下文切换次数，是提升多线程性能的一个重点课题。

四.超线程技术

随着科技水平的进步，核心数和线程数在日益增多。

拿现有的顶尖CPU AMD Ryzen TR 3990X 来举例。它是64核，128线程。

按道理来说1个核心只有一个线程，为什么上面的cpu一个核心可以对应两个线程呢。

因为用到了超线程技术，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。