三、操作系统之线程

前言

什么是线程

• 引入线程的原因
• 线程的概念
• 线程和进程的关系
• 线程结构
• 线程有点

多线程模型

• 用户线程和内核线程
• 多对一模型
• 一对一模型
• 多对多模型

线程库

• 用户库和内核库

一、什么是线程

1.1 引入线程的原因

引入线程主要出于三方面因素考虑：性能、应用和硬件。

• 从性能角度来看，由于进程是重量级的，负载了程序运行中所有的内容，操作系统的开销比较大，另外切换进程需保存现场和恢复现场，消耗也是比较大。所以需要引入一种比进程开销更小的线程单位。
• 从应用角度来看，进程内的代码也有并行执行的要求。如PPT在编辑(输入、拼写、存盘等操作)的时候，也需要同时进行其他操作(如排版)。
• 从硬件角度来看，多核处理器是目前主流的硬件架构，为了充分利用多核处理器的性能，加速进程的运行，也是引入线程的重要原因。

1.2 线程概念

什么是线程？

线程是可在 CPU 上运行的基本执行单位。进程内部的一个代码片段可以被创建为一个线程。也就是说线程寄生在进程中。同进程一样，线程也有多种状态(就绪、运行、等待)和操作(创建、撤销、等待、唤醒)。但是有一点要注意，线程只是 CPU 上运行的基本执行单位，而进程是资源分配的基本单位。线程自己不拥有系统资源，只能通过进程申请资源。

1.3 线程和进程关系

线程和进程的关系可以从代码、资源、调度、切换和生命周期做比较，如下图：

线程和进程比较

1.4 线程结构

线程由代码和数据、各类资源、线程控制块(TCP)组成。其中代码和数据以及各类资源都来源于进程。线程控制块由线程ID、程序计算器PC、寄存器集、栈空间组成。

早期操作系统都是单线程，即一个进程只有一个线程。目前的操作系统都包含多个线程。如下图为单线程和多线程。PS：register为寄存器的意思。

单线程和多线程

1.5 线程优点

• 响应度高：线程创建开销小。
• 资源共享：进程中的线程可以共享进程资源。
• 经济性：线程创建、上下文切换比进程快。如Solaris 系统中，创建线程比进程快 30 倍，线程切换比进程切换快 5 倍。
• 可以充分利用多核处理器结构，并行运行缩短时间。

二、多线程模型

线程由两种状态用户态和核心态，分别对应用户线程和内核线程。按照用户线程和内核线程划分，可以分为三种线程模型： 一对一模型、多对一模型和多对多模型。

2.1 用户线程和内核线程

用户线程是由用户线程库进行管理的线程。系统内核看不到用户线程，用户线程的创建和调度始终存在于用户空间，内核无法干预。用户线程应用于传统的只支持进程的操作系统。常用的用于创建用户线程的线程库有：Java threads、Win32 threads。

内核线程是由内核进行管理的线程。需要内核的支持，由内核完成线程调度、创建和撤销。Windows XP/2000、Linux、Tru64 UNIX、Mac OS X等操作系统都支持内核线程。

2.2 多对一模型

主要应用在不支持内核线程只支持进程的操作系统中。该操作系统内核只能看到一个进程。为了在进程中创建线程就需要借助第三方线程库实现。此种情况下，进程中的用户线程由进程自己管理，无需内核干涉。缺点是一个线程的切换，会导致进程的阻塞。

2.3 一对一模型

该模型用于支持线程的操作系统，可以由操作系统统一管理线程。优点是并发性好，多个线程可并行运行在多个处理器上；缺点是内核开销较大。

2.4 多对多模型

该模型中，多个用户线程映射为相等或更小数目的内核线程。如下图四个用户线程映射为三个内核线程。该模型的有点是兼顾了并发性和效率；缺点应为映射的处理，复杂度增加，需要额外的线程管理模块实现映射。

上述说了三个用户线程模型，现在的操作系统中也有存在混合使用三种模型的情况。

三、线程库

为程序员提供API来创建和管理线程。线程库有两种模式：用户库和内核库。

用户库用于创建和管理用户线程，仅存在与用户空间，没有内核支持，不会产生系统调用；内核库用于创建内核线程，存在于内核，需要操作系统支持，会产生系统调用。

常用的线程库有Pthreads线程库、Java线程库、Win32线程库。Pthreads线程库常用与创建用户线程；Java线程库常用与创建用户线程；而Win32线程库常用于创建内核线程。