Question

线程（thread）有时被称做轻量级进程（lightweight process, LWP）。

线程是程序执行流的最小单元，由 PID、寄存器和堆栈组成。进程有一到多个线程，共享程序内存空间及进程级资源（open files、signal 等）。

私有空间

• 执行栈（stack），存储函数调用过程信息（frame, call stack）。
• 局部存储（thread local storage, TLS）。
• 寄存器（register）。

$ ulimit -a

stack size              (kbytes, -s) 8192

注意：ulimit 分 soft 和 hard 两种。hard 是 soft 的上限，由 root 设定。而 soft 可以由用户更改。也可通过 getrlimit 、 setrlimit 函数获取或设置。

线程状态

• 运行（running）。
• 就绪（ready）：可立即运行，但 CPU 被占用。
• 等待（waitting）：等待事件（如 I/O 或同步）发生，无法执行。

        +--------------- 本线程被选中 ----------------+
        |                                           |
        v                                           |
   +---------+                                  +-------+
   | running | --------- 时间片用尽 ------------> | ready |
   +---------+                                  +-------+
        |                                           ^
        |               +----------+                |
        +----- 开始 ---> | waitting | --- 结束 ------+
                        +----------+

执行调度

被选中的线程拥有一段可执行时间，该段时间被称做时间片（time slice）。一旦时间耗尽，则被操作系统暂停，重新进入就绪状态，等待下次再被选中。

内核按系统线程分配时间片。线程是调度单位，进程是资源单位。理论上多线程可以抢夺更多时间片，但过多线程会导致更多上下文切换，反而降低效率。同一进程内的线程之间，无法分享时间片。

$ cat /proc/sys/kernel/sched_rr_timeslice_ms
100

$ sysctl kernel.sched_rr_timeslice_ms
kernel.sched_rr_timeslice_ms = 100

常见线程调度有优先级（priority schedule）和轮转法（round robin）。高优先级的线程会更早执行，直到没有高优先级，低优先级才被调度。但操作系统会自动调整优先级，以使得调度更有效率。

根据执行方式，可分为 IO 密集型（IO bound）和 CPU 密集型（CPU bound）两类。IO 密集型更受欢迎，更容易被操作系统提升优先级，以便及时处理事件反馈。

使用 nice 可以影响进程优先级，进而影响到时间片大小。也就是 nice 值越高，抢占能力越弱，优先级越低。优先级 PRI += NI ，值越小优先级越高。 NI[-20, 19] 。

$ nice -n 19 command
$ renice -n 19 -p {pid}

过低的优先级，可能导致线程饿死（starvation）。也就是说，在它执行之前，总有高优先级线程试图执行。为避免这类情况，操作系统会提升长时间等待线程的优先级。

• 用户指定优先级。
• 根据等待状态频繁程度提升或降低优先级。
• 长时间得不到执行被提升优先级。

上下文

将 CPU 从一个线程切换到另一个线程，需要保存其状态（register），并恢复另一线程状态，这就是上下文切换（context switch）。IP/PC 寄存器被修改后，切换完成，开始执行新线程代码。

进程和线程都有上下文切换。区别在于线程切换期间，虚拟内存状态（TLB）保持不变。

向操作系统移交控制权，保存状态（register, MMU/TLB, ...），可能导致高速缓存失效（L1/2/3 cache）。

$ watch grep "ctxt" /proc/{pid}/status  # 定时输出

voluntary_ctxt_switches:	3508          # 自愿（比如有较多 IO 等待操作）
nonvoluntary_ctxt_switches:	64          # 强制（时间片用完）