计算机操作系统-第十六天

目录

线程的实现方式

用户级线程

内核级线程

多线程模型

一对一模型

多对多模型

多对多模型 

本节思维导图

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线程的实现方式

用户级线程

历史背景：早期操作系统只支持进程，不支持线程，当时的线程是由线程库实现的

本质：从代码角度来看，线程其实就是一段代码逻辑 

int main()
{
    int i = 0;
    while(true)
    {
    if(i == 0) {处理视频聊天的代码;}
    if(i == 1) {处理视频聊天的代码;}
    if(i == 2) {处理视频聊天的代码;}
    i = (i+1) % 3; 
    }
}

在上面这段代码中，while循环就相当于一个“线程库”，它完成了对线程的管理工作（调度即函数调用）：在进入while循环后，由于取模运算的特性，i的值会在0，1，2之间无限循环直到在线程的运行过程中出现了比如break等操作才会结束

注意事项：1、用户级线程的管理工作由线程库来完成，所有的线程管理工作都由应用程序负责

2、用户级线程中，线程切换可以在用户态下完成，无序操作系统的干预进行CPU变态

3、操作系统不能意识到用户级线程的存在（只有用户才能感知到用户级线程的存在）

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，多个线程不可以在多核处理机上并行运行（此时CPU还是给进程分配系统资源的）

内核级线程

大多数现代操作系统都实现了，内核级线程

注意事项：1、内核级线程的管理工作由操作系统内核完成

2、内核级线程中，线程调度、切换等操作由内核负责，必须要在核心态下完成，所以需要操作系统干预从而进行CPU变态

3、操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB，通过TCB对线程进行管理，它是操作系统能看到的线程

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上执行（内核级线程是处理机调度的基本单位，进程是分配资源的基本单位，在多核CPU的环境下，这些内核级线程可以被分配到不同的核心下并发执行，不同的内核级线程中又可以跑不同的代码逻辑）

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，因此线程管理成本高，开销大（变态销毁内存空间）

多线程模型

        在支持内核级线程的程序中，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：

一对一模型

特点：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，其余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，因此线程管理成本高，开销大

多对多模型

特点：多个用户级线程映射到一个内核级线程，且一个线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，并发程度不高，且多线程不可在多核处理机上并行运行（一个线程只被分配一个内核级线程）

注意事项：操作系统只能看见内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位

多对多模型 
 

特点：n个用户级线程映射到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，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，系统资源开销过大的缺点

注意事项：1、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

2、内核级线程才是处理机分配的基本单位，多核CPU环境下，上图的进程最多被分配两个核

3、一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才会被CPU执行

4、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中，只有连个内核级线程中正在运行的“代码逻辑”均阻塞时，改进程才会阻塞：

本节思维导图

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