【操作系统】线程、多线程模型

一、什么是线程，为什么要引入线程

• 进程是程序的一次执行，但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的
• 有的进程可能需要“同时”做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了“线程”，来增加并发度。
• 传统的进程是程序执行流的最小单位
• 引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位
• 引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件)
• 引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)

二、引入线程机制后，有什么变化？

• 资源分配、调度：

• 传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位
• 引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位

• 并发性：

• 传统进程机制中，只能进程间并发
• 引入线程后，各线程间也能并发，提升了并发度

• 系统开销：

• 传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大
• 线程间并发，如果是同一进程的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小
• 引入线程后，并发所带来的系统开销减小

三、线程的重要属性

• 线程是处理机调度的单位
• 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
• 每个线程都有一个线程ID、线程控制块(TCB)
• 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
• 线程几乎不拥有系统资源
• 同一进程的不同线程间共享进程的资源
• 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
• 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
• 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
• 切换同进程内的线程，系统开销很小
• 切换进程，系统开销较大

四、线程的实现方式

4.1 用户级线程

int main(){
  int i = 0;
  while (true){
    if(i == 0){处理视频聊天的代码;}
    if(i == 1){处理文字聊天的代码;}
    if(i == 2){处理文件传输的代码;}
    i = (i + 1) % 3；//i的值为0,1,2,0,1,2...
    }
}

• 从代码的角度看，线程其实就是一段代码逻辑，上述三段代码逻辑上可以看作三个“线程”，while循环就是一个最弱智的“线程库”，线程库完成了对线程的管理工作（如调度)
  
• 很多编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建、销毁、调度等功能
  
• 1.用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换)
  
• 2.用户级线程中，线程切换可以在用户态下完成，无需操作系统干预
  
• 3.在用户看来，是有多个线程，但是在操作系统内核看来，并不会意识到线程的存在，“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程。
  
• 优点：
  
• 用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
  
• 缺点：
  
• 当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行
  

4.2 内核级线程（由操作系统支持的线程）

• 大多数现代操作系统都实现了内核级线程，如Windows、Linux
• 1.内核级线程的管理工作由操作系统内核完成
• 2.线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成
• 3.操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB(Thread Control Block,线程控制块)，通过TCB对线程进行管理，“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程。
• 4.优缺点
• 优点：
• 当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行
• 缺点：
• 一个用户进程会占用多个内核级线程线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

五、 多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型

5.1 一对一模型

• 一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
• 优点：
• 当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
• 缺点：
• 一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

5.2 多对一模型

• 多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。
• 优点：
• 用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
• 缺点：
• 当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行
• 操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

5.3 多对多模型

• 多对多模型：
• n位用户及线程映射到m个内核级线程（n>=m)。每个用户进程对应m个内核级线程克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞)，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。
• 用户级线程是“代码逻辑”的载体
• 内核级线程是“运行机会”的载体
• 内核级线程才是处理机分配的单位。例如：多核CPU环境下，左边这个进程最多能被分配两个核
• 一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行
• 内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用级线程代码，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞