操作系统（6）—— 线程（Thread）

一、为什么使用线程

单进程的问题：各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率。

多进程的问题：进程之间如何通信，共享数据？另外，维护进程的系统开销比较大。

创建进程时，分配资源，建立PCB；撤销进程时，回收资源，撤销PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息。

解决方法

需要提出一种新的实体，满足以下特性：

• 实体之间可以并发的执行；
• 实体之间可以共享相同的地址空间。

二、什么是线程

1. 线程（Thread）：进程当中的一条执行流程。

从两个方面来重新理解进程：

• 从资源组合的角度看：进程把一组相关的资源组合起来，构成了一个资源平台（环境），包括地址空间（代码段、数据段）、打开的文件等各种资源；
• 从运行的角度看：代码在这个资源平台上的一条执行流程。

线程 = 进程 — 共享资源

2. 线程的优缺点

优点：

• 一个进程中可以同时存在多个线程；
• 各个线程之间可以并发的执行；
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源。

缺点：

• 一个进程崩溃，会导致其所属进程的所有线程崩溃。

三、进程和线程的比较

• 进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位。
• 进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
• 线程具有就绪、阻塞和执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
• 线程能减少并发执行的时间和空间开销：
  • 线程的创建时间比进程短；
  • 线程的终止时间比进程短；
  • 同一进程内的线程切换时间比进程短；
  • 由于统一进程的各线程间共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信。

四、线程的实现

主要有三种线程的实现方式：

• 用户线程：在用户空间实现（POSIX Pthread、Solaris threads）
• 内核线程：在内核中实现（Linux、Windows、Solaris）；
• 轻量级进程：在内核中实现，支持用户线程（Solaris）。

用户线程与内核线程的对应关系：多对一/ 一对一/ 多对多

1. 用户线程

在用户空间实现的线程机制，不依赖于操作系统的内核，由一组用户级的线程库函数来完成线程的管理，包括进程的创建、终止、同步和调度等。

• 由于用户线程的维护由相应进程来完成（通过线程库函数），不需要操作系统内核了解用户线程的存在，可用于不支持线程技术的多进程操作系统；
• 每个进程都需要它自己私有的线程控制块（TCB，Thread Control Block）列表，用来跟踪记录它的各个线程的状态信息（PC、栈指针、寄存器等），TCB由线程库函数来维护；
• 用户线程的切换也是由线程库函数来完成，无需用户态/核心态切换，所以速度特别快；
• 允许每个进程拥有自定义的线程调度算法。

用户线程缺点：

• 阻塞性的系统调用如何实现？如果一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程在等待；
• 当一个线程开始运行后，除非它主动的交出CPU使用权，否则它所在的进程当中的其他线程将无法运行；
• 由于时间片分配给进程，故与其他进程比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会较慢。

2. 内核线程

在操作系统的内核当中实现的一种线程机制，由操作系统的内核来完成线程的创建、终止和管理。

• 在支持内核线程的操作系统中，由内核来维护进程和线程的上下文信息（PCB和TCB）；
• 线程的创建、终止和切换都是通过系统调用/内核函数的方式来进行，由内核来完成，因此系统开销很大；
• 在一个进程当中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并不会影响其他内核线程的运行；
• 时间片分配给线程，多线程的进程获得更多CPU时间；
• Windows NT 和 Windows 2000/XP支持内核线程。

3. 轻量级进程

内核支持的用户线程。一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个量级进程由一个单独的内核线程来支持。