线程概念和多线程模型（操作系统11）

线程概念和多线程模型

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前言

在本篇中，你将掌握

• 进程与线程
• 引入线程后的变化
• 线程的属性
• 线程的三种实现方式
• 三种多线程模型的定义与优缺点
  

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1 线程

1.1 进程至线程

传统的进程是程序执行流的最小单位
在没有引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行；但在引入进程后，就可以实现多个程序的并行执行（进程是程序的一次执行）

引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位
但是还存在这样的问题，比如对于几个程序，如QQ+QQ音乐，其中每一个程序还要做具体各式各样的事，如QQ聊天、QQ传送文件等，这样一个程序还是需要做多种“程序”的事。因此，在进程的基础上引入了线程，如上图每个进程内包含了多个线程，CPU便可以为同一进程内不同的线程并发处理。

1.2 引入线程

可以把线程理解为“轻量级进程”，线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。
  引入线程后，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、传文件等）
  引入线程后，进程不再是CPU调度的基本单位，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）

引入线程后，具体变化总结如上图。

2 线程的属性

3 线程的实现方式

线程的实现方式有两种：

1. 用户级线程
2. 内核级线程

3.1 用户级线程

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）。

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。且对用户来看，有多个线程（不透明）；但对操作系统而言，意识不到线程的存在（透明）

3.2 内核级线程

内核级线程，又称内核支持的线程。内核级线程的管理工作由操作系统内核完成，因此内核级线程的切换需要在核心态下完成。对于用户、内核，内核级线程都是看得见的（不透明）

3.3 用户级线程+内核级线程

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用两者组合的方式：将n个用户级线程映射到m个内核级线程上（n>=m）

重点重点重点！！！：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
  因此，对三个用户级线程+两个内核级线程的进程而言，即使该进程在4核处理机的计算机上运行，也最多只能分配到两个核，最多只有两个用户线程并行执行。

4 多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引入了“多线程模型”，多线程模型有三种：

1. 多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。
     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发运行

2. 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。多线程可以在多核处理机下并行执行
     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

3. 多对多模型：n个用户级线程映射到m个内核级线程。每个用户进程对应m个内核级线程。
     优点：克服了多对一模型并发度不高的缺点，又可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

5 小结

本篇重点：
（1）有了进程后，为何还引入线程
（2）引入线程后，与传统进程机制有什么变化
（3）线程的属性，其中线程是处理机调度的单位，进程是资源分配的单位较重要
（4）线程的三种实现方式
（5）多线程模型的优缺点