操作系统02进程线程—05 线程与多线程模型

1、什么是线程？

进程是程序的一次执行。但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。

2、什么是线程？

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。

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）。线程则作为处理机的分配单元。

3、引入线程带来的变化

 

 4、进程和线程的一些属性

　　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）

　　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，系统开销很小

　　切换进程，系统开销较大

5、线程的实现方式

（1）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， 无需操作系统干预。

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"。

注：“透明”的意思就是隐形，无法看到。

（2）内核级线程

内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。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"。

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。

6、多线程模型

（1）多对一模型: 多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

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。

 

 （2）一对一模型: 一个用户及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, 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。