操作系统 线程的概念、属性和实现方式

前言

本文在操作系统的角度梳理下线程的概念和实现方式。

什么是线程，为什么引入线程

线程可以理解为轻量级进程。
线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行的最小单位。
线程的引入进一步提高了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发的处理各种任务。
进程是系统分配资源的基本单位，有独立的地址空间；线程是CPU调度的基本单位。

线程的属性

• 线程是处理机调度的单位
• 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
• 每个线程都有一个线程ID、线程控制块 TCB
• 每个线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
• 线程几乎不拥有系统资源
• 同一进程的不同线程间共享进程的资源
• 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
• 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
• 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
• 切换同进程内的线程，系统开销小
• 切换进程，系统开销大

线程的实现方式

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即可完成，不用切换到核心态，无需操作系统干预。
• 在用户看来，是有多个线程，但是在内核看来，只有一个线程。即用户级线程对用户不透明，对操作系统透明。
• 可以这样理解，用户级线程就是从用户视角看能看到的线程。

内核级线程

内核级线程的管理工作由操作系统完成。

• 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。
• 可以这样理解，内核级线程就是从操作系统内核视角看能看到的线程。

组合方式

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可以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。

• 操作系统只看得见内核级线程，因此只有内核级线程才是CPU调度的基本单位。

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，采用组合的方式将n个用户级线程映射到m个内核级线程上n>=m。由此引出了多线程模型。

多对一模型

多个用户级线程映射到一个内核级线程，即每个进程只对应一个内核级线程。

• 优点：
  用户级线程切换在用户态，不需要切换到核心态，系统开销小，效率高；

• 缺点
  当一个用户级线程被阻塞时，整个进程就会被阻塞，并发度不高；
  多个线程无法在多核CPU上并行运行。

一对一模型

一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个进程有与用户线程相同梳理的内核线程。

• 优点：
  当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发度高；
  多线程可以在多核CPU上并行运行；

• 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来完成，需要切换到核心态，线程管理成本高，开销大。

多对多模型

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。

集前二者之所长，避二者之所短。既能高并发，又能避免系统开销大。