摘要：父進程調用創(chuàng)建子進程。因而，一個進程的第一個線程會隨著這個進程的啟動而創(chuàng)建，這個線程被稱為該進程的主線程。另一方面，線程不可能獨立于進程存在。終止線程線程可以通過多種方式來終結同一個進程中的其他線程。

不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海。在學習Java多線程相關的知識前，我們首先需要去了解一點操作系統(tǒng)的進程、線程以及相關的基礎概念。

通常，我們把一個程序的執(zhí)行稱為一個進程。反過來講，進程用于描述程序的執(zhí)行過程。因此，程序和進程是一對概念，它們分別描述了一個程序的靜態(tài)和動態(tài)特征：除此之外，進程還操作系統(tǒng)進行資源分配的一個基本單位。

進程使用fork系統(tǒng)調用來創(chuàng)建。父進程調用fork創(chuàng)建子進程。每個子進程都是源自它的父進程的一個副本，它會獲得父進程的數(shù)據(jù)段、堆和棧的副本，并與父進程共享代碼段。每一份副本都是獨立的，子進程對屬于它的副本的修改對其父進程和兄弟進程（同父進程）都是不可見的，反之亦然。全盤復制父進程的數(shù)據(jù)是一種相當?shù)托У淖龇ā?Linux操作系統(tǒng)內核使用寫時復制（Copy on Write,常簡稱為COW)等技術來提高進程創(chuàng)建的效率。當然，剛創(chuàng)建的子進程也可以通過系統(tǒng)調用exec把一個新的程序加載到己的內存中，而原先在內存中的數(shù)據(jù)段、堆、棧以及代碼段就會被替換掉，在這之后，子進程執(zhí)行的就會是那個剛剛加載進來的新程序。

父進程被如果優(yōu)先于子進程結束，那么子進程就會被原來父進程的父進程“收養(yǎng)”。

為了管理進程，內核必須對每個進程的數(shù)據(jù)和行為進行詳細的記錄，包括進程的優(yōu)先級、狀態(tài)、虛擬地址范圍以及各種訪問權限等等。更具體地說，這些信息都會被記在每個進程的進程描述符中。進程描述符并不是一個簡單的符號，而是一個非常復雜的數(shù)據(jù)結構。保存在進程描述符中的進程ID (常稱為PID )是進程在操作系統(tǒng)中的唯一標識，其中進程ID為1的進程就是之前提到的內核啟動進程。進程id是一個非負整數(shù)且總是順序的編號，新創(chuàng)建的進程ID總是前一個進程ID遞增的結果。此外，進程ID也可以重復使用。當進程ID達到其最大限值時，內核會從頭開始查找閑置的進程ID并使用M先找到的那一個作為新進程的ID。另外，進程描述符中還會包含當前進程的父進程的ID (常稱為PPID )。

如果多個進程之間需要協(xié)作完成任務，那么進程間通信的方式就是需要重點考慮的事項之一。這種通信叫做IPC(Inter-Process Communication)。那么在Linux中，從處理機制的角度看，可以分為三大類方法：

基于通信的IPC

基于信號的IPC

基于同步的IPC

以數(shù)據(jù)為傳送手段的IPC

管道(pipe)：用于傳輸字節(jié)流

消息隊列(message queue)：用來傳輸結構化的對象

以共享內存為手段的IPC

共享內存區(qū)（share memory)：最快的IPC方法

操作系統(tǒng)的信號（signal）機制：唯一一種異步IPC方法。通過kill -l查看。

信號量（semaphore）

在Linux中，每個進程在每個時刻只會有一種狀態(tài)，分別有以下六種

該進程立刻或正在CPU上運行。但是運行的時期是不確定的，由進程調度來決定。

如果一個進程正在等待某個事件到來時，會進入此狀態(tài)。這樣的進程會被放入對應的等待隊列中。當事件發(fā)生時，對應的等待隊列中的一個或多個進程就會被喚醒。

此種狀態(tài)可與中斷的睡眠狀態(tài)的唯一區(qū)別是它不可被打斷。這意味著此種狀態(tài)的進程不會對任何信號作出響應。更確切地講，發(fā)送給此狀態(tài)的進程的信號直到它狀態(tài)轉出才會被傳遞過去。處于此狀態(tài)的進程通常是在等待一個特殊的時間，比如等待同步的IO操作完成。

向進程發(fā)送SIGSTOP信號，就會使該進程轉入暫停狀態(tài)，除非該進程正處于不可中斷的睡眠狀態(tài)。

向正處于暫停的進程發(fā)送SIGCONT信號，會使用該進程轉向可運行狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程會暫停，并等待另一個進程（跟蹤它的那個進程）對它進行操作。例如，我們使用調試工具GDB在某個程序中設置一個斷點，而后對應的進程運行到該斷點處就會停下來。這時，該進程就處于跟蹤狀態(tài)。跟蹤狀態(tài)與暫停狀態(tài)非常類似。但是，向處于跟蹤狀態(tài)的進程發(fā)送SIGCONT信號并不能使它回復。只有當調試進程進行了相應的系統(tǒng)調用或退出后，它才能夠恢復。

處于此狀態(tài)的進程即將結束運行，該進程占用的絕大多數(shù)資源也都已經(jīng)被回收，不過還有一些信息未還是拿出，比如退出碼以及一些統(tǒng)計信息。之所以保留這些信息，主要是考慮到該進程的父進程可能需要它們。由于此時的進程主體已經(jīng)被刪除而只留下一個空殼，故此狀態(tài)才被稱為僵尸狀態(tài)。

在進程退出的過程中，有可能連退出碼和統(tǒng)計信息都不需要保留。造成這種情況的原因可能是顯示地讓該進程的父進程忽略掉SIGCHLD信號（當一個進程消亡的時候，內核會給其父進程發(fā)送SIGCHLD信號以告知此情況），也可能是該進程已經(jīng)被分離（分離即讓子進程和父進程分別獨立運行）。分離后的子程序將不會再使用和執(zhí)行與父進程共享代碼段中的指令，而是加載并運行一個全新的程序。在這些情況下，該進程處于退出的時候就不會轉入僵尸狀態(tài)，而會直接轉入退出狀態(tài)。處于退出狀態(tài)的進程會立即被干凈利落地結束掉，它占用的系統(tǒng)資源也會被操作系統(tǒng)自動回收。

內核為每個用戶進程分配的是虛擬內存而不是物理內存。同時，內核會把進程的虛擬內存劃分為若干頁（page），而物理內存單元的劃分由CPU負責。一個物理內存單元被稱為一個頁框(page freame)。不同進程的大多數(shù)頁都會與不同的頁框相對應。對應的時候那就是共享內存了。

線程可以視為進程中的控制流。一個進程至少包含一個線程，因為其他至少會有一個控制流持續(xù)運行。因而，一個進程的第一個線程會隨著這個進程的啟動而創(chuàng)建，這個線程被稱為該進程的主線程。當然，一個進程可以包含多個線程。這些線程都是由當前線程中已經(jīng)存在的線程創(chuàng)建出來的，創(chuàng)建的方法就是調用系統(tǒng)調用（pthread_create）。擁有多個線程的進程可以并發(fā)執(zhí)行多個任務，并且即時某個或某些任務被阻塞，也不會影響其他任務執(zhí)行，這可以大大改善程序的響應時間和吞吐量。另一方面，線程不可能獨立于進程存在。它的生命周期不可能逾越所屬進程的生命周期。

一個進程中的所有線程都擁有自己線程棧，并以此存儲自己的私有數(shù)據(jù)。這些線程的線程棧都包含在其所屬進程的虛擬內存地址中。不過要注意，一個進程中的很多資源都會被其中的所有線程共享，這些被線程共享的資源包含當前進程所持有文件描述符，等等。正因為如此，同一個進程的多個線程運行的一定是同一個程序，只不過具體的控制流程的執(zhí)行函數(shù)可能有所不同。在同一個進程的多個線程之間共享數(shù)據(jù)也是一件非常輕松和自然的事情。另外，創(chuàng)建一個新線程，也不會像創(chuàng)建一個新進程那樣耗時費力，因為在其所屬進程的虛擬內存地址中存儲的代碼、數(shù)據(jù)和資源都不需要被復制。

另外，操作系統(tǒng)和提供了一定的系統(tǒng)調用用于管理當前進程中的線程。

和進程一樣，每個線程都有自己的ID（由內核分配），叫做線程ID或者TID。但是在操作系統(tǒng)范圍內不唯一，在所屬進程的范圍內唯一。

任何一個線程都可以同一線程中的其他線程進行有限管理，如下：

主線程在其所屬進程啟動時創(chuàng)建。其他線程可以通過別的線程用pthread_create來創(chuàng)建——要傳入新線程將要執(zhí)行的函數(shù)以及傳入該函數(shù)的參數(shù)值。在創(chuàng)建成功的時候，該函數(shù)會返回線程的TID。

線程可以通過多種方式來終結同一個進程中的其他線程。其他一種方式就是調用系統(tǒng)調用pthread_cancel，其作用是取消掉給定線程ID代表的那個線程。更確切地講，它會向目標線程發(fā)送一個請求，要求它立刻終止執(zhí)行。但是該函數(shù)只是發(fā)送請求并即可返回。但是，該函數(shù)只是發(fā)送請求并立刻返回，而不會等待目標線程對該請求做出響應。至于目標線程什么時候對此做出線程、怎么樣的響應，則取決與另外的因素（比如線程目標的取消狀態(tài)及類型）。在默認情況下，目標線程總是會接受線程取消請求，不過等到時機成熟（執(zhí)行到某個取消點）的時候，目標線程才會響應線程的取消請求。

此操作由系統(tǒng)調用pthread_join來執(zhí)行，該函數(shù)會一直等待與給定的線程ID對應的那個線程終止，并把線程執(zhí)行的pthread_create函數(shù)的返回值告知調用線程。如果目標線程已經(jīng)處于終止狀態(tài)，那么該函數(shù)會立即返回。這就像是把調用線程放置在了目標線程的后面，當目標線程把線程控制權交出時，調用線程會接過流程控制權并繼續(xù)執(zhí)行pthread_join函數(shù)調用之后的代碼。這也把這一操作稱為連接的緣由之一。實際上，如果一個線程可被連接，那么在它終止之前就必須連接，否則就會變成一個僵尸線程。僵尸線程不但會導致系統(tǒng)資源浪費，還會無意義減少其進程的可創(chuàng)建線程數(shù)量。

將一個線程分離后那么它將變得不可連接。而在默認情況下，一個線程總是可以被連接的。分離操作的另一個作用是讓操作系統(tǒng)內核在目標線程終止時自行進行清理和銷毀工作。注意，分離操作是不可逆的。也就是說，我們無法使一個不可連接的線程變回可連接的狀態(tài)。不過，對于一個已處于分離狀態(tài)的線程，執(zhí)行終止操作仍然會起作用。分離操作由系統(tǒng)調用pthread_detach來執(zhí)行，它接受一個代表了線程ID的參數(shù)值。

一個線程對自身也可以進行兩種控制：終止和分離。線程終止自身的方式有很多種。在線程執(zhí)行的start函數(shù)中執(zhí)行return語句，會使該線程隨著start函數(shù)的結束而終止。需要注意的是，如果在主線程中執(zhí)行了return語句，那么當前進程中的所有線程都會終止。另外，在任意線程中調用系統(tǒng)調用exit也會達到這種效果。還有一種終止自身的方式就是顯示調用pthread_exit。

而分離pthread_detach函數(shù)則是傳入自己的TID。

在多個線程之間交換線程是非常簡單和自然的事，而在多個進程之間只能通過一些額外的手段（比如管道、消息隊列、信號量和共享內存區(qū)）傳遞數(shù)據(jù)。顯然，使用這些額外手段會增加開發(fā)成本。不過，線程間交換數(shù)據(jù)雖然簡單但卻由于可能發(fā)生競態(tài)條件而不得不使用一些同步工具（比如互斥量和條件變量）加以保護。這些與業(yè)務邏輯無關的代碼會增加程序的復雜度，尤其在使用不當?shù)那闆r下還會引起災難。

互斥量可以理解為我們常見的鎖。而條件變量所做的就是保證線程間共享的數(shù)據(jù)狀態(tài)改變時通知到其他因此而被阻塞的線程。條件變量總是與互斥量組合使用。當線程成功鎖定互斥量并訪問到共享數(shù)據(jù)時，共享數(shù)據(jù)的狀態(tài)并不一定滿足它的要求。下面就通過一個示例來描述條件變量的使用場景。

執(zhí)行過程不能中斷的操作稱為原子操作（atomic operation）。必須一個單一的匯編指令表示，而且需要得到芯片級別的支持。

臨界區(qū)(critical section)用來表示一種公共資源或者共享數(shù)據(jù)，可以被多個線程使用。但是每一次，只有一個線程可以使它，一旦臨界區(qū)資源被占用，其他線程要想使用資源，就必須等待，即串行化訪問或執(zhí)行。

保證只有一個進程或線程在臨界區(qū)內的做法只有一個——互斥（mutual exclusion。簡稱 mutex）。

描述的是用戶線程與內核的交互方式：

同步（Synchrounous）是指用戶線程發(fā)起 I/O 請求后需要等待或者輪詢內核 I/O 操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行；

異步（Asynchrounous）是指用戶線程發(fā)起 I/O 請求后仍繼續(xù)執(zhí)行，當內核 I/O 操作完成后會通知用戶線程，或者調用用戶線程注冊的回調函數(shù)。

描述的是用戶線程調用內核 I/O 操作的方式：

阻塞（Blocking）是指 I/O 操作需要徹底完成后才返回到用戶空間；

非阻塞（Non-Blocking）是指 I/O 操作被調用后立即返回給用戶一個狀態(tài)值，無需等到 I/O 操作徹底完成。

一個 I/O 操作其實分成了兩個步驟：

發(fā)起 I/O 請求

實際的 I/O 操作。

阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 的區(qū)別在于第一步，發(fā)起 I/O 請求是否會被阻塞。如果阻塞直到完成那么就是傳統(tǒng)的阻塞 I/O ，如果不阻塞，那么就是非阻塞 I/O 。 同步 I/O 和異步 I/O 的區(qū)別就在于第二個步驟是否阻塞，如果實際的 I/O 讀寫阻塞請求進程，那么就是同步 I/O 。

并發(fā)和并行往往被人所混淆。它們都可以表示兩個或多個任務一起執(zhí)行，但是偏重點有些不同。并發(fā)偏重于多個任務交替執(zhí)行，而多個任務有可能還是串行。而并行則是真正意義上的“同時執(zhí)行”。

嚴格來說，并行的多個任務是真實的同時執(zhí)行，而對并發(fā)來說，這個過程這是交替的，一會兒運行任務A一會兒執(zhí)行任務B，系統(tǒng)會不停地在兩者間切換。但對于外部觀察者來說，即使多個任務之間是串行并發(fā)的，也會造成多任務間是并行執(zhí)行的錯覺。

死鎖、饑餓和活鎖都屬于多線程的活躍性問題，如果發(fā)生上述情況，那么相關線程可能就不再活躍，也就是說它可能很難繼續(xù)往下執(zhí)行了。

死鎖應該是最糟糕的一種情況了，雖然別的情況也沒有好到哪兒去。

死鎖：多個線程互相等待多方釋放資源而一直沒有執(zhí)行。

饑餓：一個或多個線程因為種種原因無法獲取所得的需要資源，導致一直無法執(zhí)行。導致的原因往往是當前線程優(yōu)先級不高導致沒有資源，或某線程一直占著關鍵資源不放。

活鎖：多個線程都釋放資源給別的線程使用，導致沒有線程拿到資源而正常執(zhí)行。