計算機多線程的定義：
多線程（Multithreading）是指在同一進程內并發執行多個線程的技術。每個線程代表一個執行流，可以獨立執行代碼。
在多線程程序中，操作系統會將多個線程的執行時間片交替分配給不同線程，從而使它們看起來幾乎同時運行。
多線程的原理涉及操作系統如何調度和管理多個線程的執行、線程之間如何共享資源等方面。

多線程的基礎

1. 線程與進程的關系：

   • 進程是操作系統資源分配的基本單位，一個進程內可以包含多個線程。
   • 線程是進程的一個執行單元，線程之間共享進程的資源，如內存、文件描述符等。

   每個進程至少有一個線程，通常稱為主線程，其他線程則是子線程。多線程在同一進程內共享數據和資源，因此它們的創建和銷毀成本較低。

2. 線程的獨立性與共享資源：

   • 獨立性：每個線程有自己的棧（用于存儲局部變量、函數調用等），并且在調度時可以獨立運行。
   • 共享資源：多個線程共享同一個進程的地址空間（包括代碼段、全局變量、堆等），這使得線程間可以輕松共享數據。但也因此需要謹慎地管理并發訪問，以防止數據競爭（data race）和不一致性。

3. 線程調度：
   多線程是通過操作系統的調度機制，使得多個線程在同一進程中并發執行。它可以提高CPU的利用率，并提升程序的效率，尤其在需要處理I/O密集型或計算密集型任務時非常有效。

   操作系統中的線程調度程序負責決定哪些線程運行、何時運行以及運行多長時間。不同的操作系統有不同的線程調度策略，通常會使用 時間片輪轉（Round-robin）、優先級調度（Priority scheduling） 或 多級隊列（Multilevel Queue） 等算法來管理線程的執行順序。

   線程的調度由操作系統內核管理：

   • 搶占式調度：操作系統內核根據設定的時間片或者優先級來控制線程的運行，強制中斷當前線程，切換到其他線程。這是現代操作系統（如Linux、Windows）的常見調度方式。
   • 協作式調度：線程自己決定何時讓出CPU時間片，不會被強制中斷。這種方式要求線程在合適的時機主動讓出CPU時間（例如，在I/O操作時）。

4. 上下文切換：
   在多線程環境中，操作系統需要在不同線程之間切換執行，這個過程稱為 上下文切換（Context Switch）。上下文切換涉及保存當前線程的狀態（如寄存器值、程序計數器等）并加載下一個線程的狀態。上下文切換是多線程的核心機制之一，它讓操作系統能夠在多個線程之間快速切換。

   上下文切換的代價通常較高，因為涉及到保存和恢復線程狀態、更新調度器的數據結構等操作。因此，頻繁的上下文切換會影響系統性能。

5. 線程同步與互斥：
   多線程通過同步機制和互斥機制來避免資源沖突和數據競爭。

   由于多個線程共享同一個進程的內存空間，線程間可能會并發訪問共享資源。如果沒有適當的同步機制，多個線程可能會同時修改同一共享變量，從而導致數據不一致或競爭條件（race condition）。

   為了避免這種情況，常用的同步機制有：

   • 互斥鎖（Mutex）：保護共享資源的訪問，確保在任何時刻只有一個線程可以訪問某個資源。
   • 讀寫鎖（Read/Write Lock）：允許多個線程并行讀取共享資源，但在有線程寫入資源時，其他線程不能讀寫。
   • 信號量（Semaphore）：控制對某個資源的訪問，允許多個線程同時訪問有限數量的資源。
   • 條件變量（Condition Variable）：用于線程間的協調，允許線程在特定條件滿足時繼續執行。

6. 線程的創建與銷毀：

   • 創建：線程通常由主線程創建，并由操作系統負責分配資源（如棧空間）。線程的創建可以通過系統調用或者在高級編程語言中使用線程庫（如Java的Thread類或Python的threading模塊）來實現。
   • 銷毀：當線程執行完畢，操作系統回收該線程的資源。線程也可以在運行過程中主動結束。
   • 詳細請看下文的線程生命周期圖。

7. 線程的并發與并行：

   • 并發（Concurrency）指的是多個線程在同一時間段內交替執行，可能并不在同一時刻同時運行。現代操作系統通過時間片輪轉讓多個線程在一個核心CPU上“看似”同時運行。
   • 并行（Parallelism）指的是多個線程在物理上同時執行，通常需要多個CPU核心同時工作，通常需要支持多核處理器的硬件。

   注：在單核處理器上，操作系統通過時間片輪轉實現并發，而在多核處理器上，操作系統可以通過將線程分配到不同的CPU核心上實現并行。

線程的生命周期