线程概念,实现方式以及多线程模型

1.线程引入

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。

• 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)。

1.引入线程之后的变化

1.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
• 引入线程辰，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位

2.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

3.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，如果是同一进程内的线程切换，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

2.线程的属性

1. 线程是处理机调度的单位
2. 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
3. 每个线程都有一个线程ID、线程控制块（TCB)
4. 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
5. 线程几乎不拥有系统资源
6. 同一进程的不同线程间共享进程的资源
7. 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
8. 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
9. 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
10. 切换同进程内的线程，系统开销很小
11. 切换进程，系统开销较大

2.线程的实现方式

1.用户级线程

从用户视角能看到的线程，由线程库实现.
历史背景:早期的操作系统（如:早期Unix）只支持进程，不支持线程。
当时的“线程”是由线程库实现的。

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即可完成，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，并意识不到线程的存在。“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”
4. 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
5. 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。

2.内核级线程

从操作系统视角看到的线程，由操作系统实现(内核级线程才是处理机分配的单位)

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。
5. 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。

1.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。

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。

3.多对多模型

n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。

内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码,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。