操作系统学习笔记——线程
1. 多线程
l 操作系统引入进程的目的是，为了描述和实现多个程序的并发执行，以改善资源利用率级提高系统的吞吐量。
l 为什么引入线程？为了减少程序并发执行时系统所付出的额外开销，使操作系统具有更好的并发性。
l 进程的两个属性
n 进程是一个拥有资源的独立单位；
n 进程同时又是一个可以独立调度的基本单位。
2. 系统为进程进行的操作（进程带来的开销）
l 管理进程：创建进程、撤销进程、进程切换。
l 进程作为资源的拥有者和系统的调度对象，需要花费系统较大的额外开销。所以系统中同时存在的进程数目不宜过多，进程切换的频率也不宜过高，而这也就限制了并发度的进一步提高。
3. 由进程到线程（进程复制申请资源，线程负责调度资源）
l 目标：既能提高进程的并发度，又能降低系统的额外开销。
l 实现：将进程的资源申请和调度属性分开，即进程作为资源的申请和拥有者，但不作为调度的基本单位。如此便产生了线程的概念。
l 线程是进程中的一个实体，是调度的基本单位。
l 线程自身基本上不拥有系统资源，只拥有少许运行中必不可少的私有资源。线程可与同属一个进程的其他线程共享进程的全部资源。
例子：一对老夫妇，有3个子女。子女长大后要自己修房子（子进程）、找工作。如果没有分家，3个子女可以共享父亲（父进程）的房子，可以并发。如果他们分开了，资源是独立的，如果不分开，资源是共享的。
4. 线程的状态
l 进程中的所有线程共享该进程的状态。
l 线程具有三种基本状态：就绪、执行和阻塞。
l 线程一般不具备挂起状态。
5. 对线程的操作
l 一个进程可以创建和撤销一个或多个线程，同一进程中的多个线程可以并发执行。
l 对线程的操作
n 派生：当系统创建一个进程时，同时也为该进程派生了一个线程，同一进程中的线程可以再派生其他线程。
n 阻塞：当线程需要等待某事件时，它将被阻塞，释放处理机执行其他线程。
n 解除阻塞：当线程的阻塞事件发生，其状态转换为就绪，并插入到就绪队列，等待调度执行。
n 结束
6. 进程与线程
6.1 调度
l 传统操作系统，进程既是拥有资源的基本单位，也是独立调度的基本单位。
l 引入线程的操作系统，线程是独立调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位。
l 同一进程中的线程间切换不会引起进程切换，当一个进程中的线程切换到另一个进程中会引起进程切换。
6.2 并发
l 进程间可以并发执行。
l 同属一个进程的多个线程，也可以并发执行。
l 线程时操作系统拥有更好的并发性，从而能有效地使用系统资源和提供系统吞吐量。
l 当一个未引入线程的单处理机操作系统，若设置一个文件服务进程，当它由于某种原因阻塞，便没有其他的文件服务进程来提供服务。引入线程以后，可以为一个文件服务进程中设置多个服务线程，当其中一个线程阻塞时，文件服务进程中的其他线程可以继续运行，提供了文件服务的质量和系统吞吐量。
6.3 系统开销
l 操作系统管理进程的开销显著大于管理线程的开销。
l 进程切换的开销也大于线程切换的开销。
l 由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，他们之间的同步和通信也比较容易。
l 有些类型的线程切换、同步和通信无需操作系统内核的干预。
7 线程的类型
1） 用户级线程
a) 定义：用户级线程的创建、撤销及切换等操作全部由支持线程的应用程序完成，内核并不知道线程的存在。
b) 如(a)图所示，纯粹的用户级线程，应用程序可以利用线程库设计多线程程序，该线程库包含各种用户管理用户级线程的例程。
c) 用户级线程阻塞是否会引起整个进程阻塞呢？
1） 当某进程中的一个线程需要等待另一线程的输出数据而阻塞时，整个进程并不会阻塞。即进程保持执行状态，其内的线程也是执行状态。
2） 当某线程因为I/O阻塞时，内核需要启动系统I/O，控制从用户级转到系统内核级，这时常会引起整个进程阻塞。
d) 用户级线程能节省大量的系统额外开销，提供并发性。
1） 线程的管理和控制权在用户级进行，线程切换无需内核干预，没有模式切换，减少了模式切换的开销。
2） 调度更灵活。应用程序可以根据需要选用线程库中不同的线程调度算法，而不受系统内核进程调度程序的约束。
3） 由于线程库独立于系统内核，可以运行在不同的操作系统上，时用户级线程可以得到不同的操作系统的支持，而无需修改操作系统内核。
e) 用户级线程也存在一些问题
1） 由于操作系统的系统调用会引起阻塞，用户级线程中的系统调用常常会引起线程级整个进程阻塞，削弱了线程的并发性。
2） 由于系统内核不知道用户级线程的存在，可能出现进程切换时，强行中断其内某个执行线程的情况。
3） 很难实现不同进程的线程并发。
2) 内核级线程
内核级线程的管理完全由系统内核完成，应用程序无权进程线程切换等操作，系统为应用程序提供相应的应用程序api