操作系统-线程

线程

概念

• 引入进程是为了多道程序并发执行，引入线程则为了减小程序并发执行的开销，提高并发性能
• 线程又称为
  
  轻量级进程
  
  ，是基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元; 是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分配的基本单位
• 线程由**线程ID，程序计数器，寄存器集合和堆栈组成
• 一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程可以并发执行
• 线程也有
  
  就绪，阻塞，运行
  
  态

属性

• 线程是轻型实体，不拥有系统资源，但每个线程具有
  
  唯一的标识符和线程控制块
  
  ; 线程控制块记录
  
  线程执行的寄存器和栈等线程状态
  
• 不同的线程可以执行相同的程序; 即同一个服务程序被不同用户调用时，操作系统把它们创建成不同的线程
• 线程不拥有系统资源，只拥有运行必不可少的一点资源; 与同属一个进程的其他线程共享进程中的资源
• 单CPU系统中，各线程交替占用CPU; 多CPU系统中，各线程占用不同的CPU，若各个CPU同时为一个进程中各个线程服务，可缩短处理时间

与进程比较

• 引入线程之后，
  
  线程是独立调度的基本单位，进程是拥有资源的基本单位
  
• 线程不拥有资源，但线程可以访问其隶属进程的系统资源
• 引入线程的操作系统，不仅进程可以并发执行，线程也可以，使得操作系统有更好的并发性
• 创建和撤销进程时，系统为之分配或回收资源等付出的开销远大于创建和撤销线程; 进程切换涉及执行进程CPU环境的保存和新调度到进程CPU环境的设置，而线程切换只需要保存和设置少量寄存器的内容，开销很小
• 进程间通信(IPC)需要经常同步和互斥手段辅助，以保证数据一致性，而线程间可以直接读写进程数据段进行通信

线程的实现

• 用户级线程(User-Level Thread ULT)
  • 线程管理的所有工作都由
    
    应用程序
    
    完成，内核意识不到线程存在
  • 应用程序可以通过使用线程库设计成多线程程序
• 内核级线程(Kernel-Level Thread KLT)
  • 线程管理的所有工作由内核完成，应用程序没有进行线程管理的代码
  • 内核为进程及其内部的每个线程维护上下文信息，调度也在内核基于线程架构的基础上完成

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
    • 优点: 线程管理在用户空间完成，因此效率比较高
    • 缺点: 若一个线程在使用内核服务时被阻塞，整个进程都会被阻塞; 多个线程不能并行运行在处理器上
• 一对一模型
  • 一个用户级线程映射到一个内核级线程
    • 优点: 运行并发执行，一个线程阻塞，运行另一个进程执行
    • 缺点: 每创建一个用户级线程都要创建一个内核级线程，开销大，影响性能
• 多对多模型
  • n个用户级线程映射到m个内核级线程 m<=n
    • 是上两个模型的折中，既克服了多对一模型的并发度不高，又克服了一对一模型开销大的缺点，还拥有各自的优点