【操作系统】线程、多线程模型

简介: 【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


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