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線程的基本概念
引入進(jìn)程的目的，是為了使多道程序并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量；而引入線程，則是為了減小程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)，提高操作系統(tǒng)的并發(fā)性能。
線程最直接的理解就是“輕量級(jí)進(jìn)程”，它是一個(gè)基本的CPU執(zhí)行單元，也是程序執(zhí)行流的最小單元，由線程ID、程序計(jì)數(shù)器、寄存器集合和堆棧組成。線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤銷(xiāo)另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。
引入線程后，進(jìn)程的內(nèi)涵發(fā)生了改變，進(jìn)程只作為除CPU以外系統(tǒng)資源的分配單元，線程則作為處理機(jī)的分配單元。
線程與進(jìn)程的比較
1) 調(diào)度。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，擁有資源和獨(dú)立調(diào)度的基本單位都是進(jìn)程。在引入線程的操作系統(tǒng)中，線程是獨(dú)立調(diào)度的基本單位，進(jìn)程是資源擁有的基本單位。在同一進(jìn)程中，線程的切換不會(huì)引起進(jìn)程切換。在不同進(jìn)程中進(jìn)行線程切換,如從一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程切換到另一個(gè)進(jìn)程中的線程時(shí)，會(huì)引起進(jìn)程切換。
2) 擁有資源。不論是傳統(tǒng)操作系統(tǒng)還是設(shè)有線程的操作系統(tǒng)，進(jìn)程都是擁有資源的基本單位，而線程不擁有系統(tǒng)資源（也有一點(diǎn)必不可少的資源），但線程可以訪問(wèn)其隸屬進(jìn)程的系統(tǒng)資源。
3) 并發(fā)性。在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且多個(gè)線程之間也可以并發(fā)執(zhí)行，從而使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性，提高了系統(tǒng)的吞吐量。
4) 系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。由于創(chuàng)建或撤銷(xiāo)進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內(nèi)存空間、 I/O設(shè)備等，因此操作系統(tǒng)所付出的開(kāi)銷(xiāo)遠(yuǎn)大于創(chuàng)建或撤銷(xiāo)線程時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)。類(lèi)似地，在進(jìn)行進(jìn)程切換時(shí)，涉及當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程CPU環(huán)境的保存及新調(diào)度到進(jìn)程CPU環(huán)境的設(shè)置，而線程切換時(shí)只需保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，開(kāi)銷(xiāo)很小。此外，由于同一進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線程共享進(jìn)程的地址空間，因此，這些線程之間的同步與通信非常容易實(shí)現(xiàn)，甚至無(wú)需操作系統(tǒng)的干預(yù)。
5) 地址空間和其他資源（如打開(kāi)的文件）：進(jìn)程的地址空間之間互相獨(dú)立，同一進(jìn)程的各線程間共享進(jìn)程的資源，某進(jìn)程內(nèi)的線程對(duì)于其他進(jìn)程不可見(jiàn)。
6) 通信方面：進(jìn)程間通信(IPC)需要進(jìn)程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性，而線程間可以直接讀/寫(xiě)進(jìn)程數(shù)據(jù)段（如全局變量）來(lái)進(jìn)行通信。
線程的屬性
在多線程操作系統(tǒng)中，把線程作為獨(dú)立運(yùn)行（或調(diào)度）的基本單位，此時(shí)的進(jìn)程，已不再是一個(gè)基本的可執(zhí)行實(shí)體。但進(jìn)程仍具有與執(zhí)行相關(guān)的狀態(tài)，所謂進(jìn)程處于“執(zhí)行”狀態(tài)，實(shí)際上是指該進(jìn)程中某線程正在執(zhí)行。線程的主要屬性如下：
- 線程是一個(gè)輕型實(shí)體，它不擁有系統(tǒng)資源，但每個(gè)線程都應(yīng)有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符和一個(gè)線程控制塊，線程控制塊記錄了線程執(zhí)行的寄存器和棧等現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。
- 不同的線程可以執(zhí)行相同的程序，即同一個(gè)服務(wù)程序被不同的用戶(hù)調(diào)用時(shí)，操作系統(tǒng)為它們創(chuàng)建成不同的線程。
- 同一進(jìn)程中的各個(gè)線程共享該進(jìn)程所擁有的資源。
- 線程是處理機(jī)的獨(dú)立調(diào)度單位，多個(gè)線程是可以并發(fā)執(zhí)行的。在單CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各線程可交替地占用CPU；在多CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各線程可同時(shí)占用不同的CPU，若各個(gè)CPU同時(shí)為一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的各線程服務(wù)則可縮短進(jìn)程的處理時(shí)間。
- —個(gè)線程被創(chuàng)建后便開(kāi)始了它的生命周期，直至終止，線程在生命周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷阻塞態(tài)、就緒態(tài)和運(yùn)行態(tài)等各種狀態(tài)變化。
線程的實(shí)現(xiàn)方式
線程的實(shí)現(xiàn)可以分為兩類(lèi)：用戶(hù)級(jí)線程(User-LevelThread, ULT)和內(nèi)核級(jí)線程(Kemel-LevelThread, KLT)。內(nèi)核級(jí)線程又稱(chēng)為內(nèi)核支持的線程。
在用戶(hù)級(jí)線程中，有關(guān)線程管理的所有工作都由應(yīng)用程序完成，內(nèi)核意識(shí)不到線程的存在。應(yīng)用程序可以通過(guò)使用線程庫(kù)設(shè)計(jì)成多線程程序。通常，應(yīng)用程序從單線程起始，在該線程中開(kāi)始運(yùn)行，在其運(yùn)行的任何時(shí)刻，可以通過(guò)調(diào)用線程庫(kù)中的派生例程創(chuàng)建一個(gè)在相同進(jìn)程中運(yùn)行的新線程。圖2-2(a)說(shuō)明了用戶(hù)級(jí)線程的實(shí)現(xiàn)方式。
在內(nèi)核級(jí)線程中，線程管理的所有工作由內(nèi)核完成，應(yīng)用程序沒(méi)有進(jìn)行線程管理的代碼，只有一個(gè)到內(nèi)核級(jí)線程的編程接口。內(nèi)核為進(jìn)程及其內(nèi)部的每個(gè)線程維護(hù)上下文信息，調(diào)度也是在內(nèi)核基于線程架構(gòu)的基礎(chǔ)上完成。圖2-2(b)說(shuō)明了內(nèi)核級(jí)線程的實(shí)現(xiàn)方式。
在一些系統(tǒng)中，使用組合方式的多線程實(shí)現(xiàn)。線程創(chuàng)建完全在用戶(hù)空間中完成，線程的調(diào)度和同步也在應(yīng)用程序中進(jìn)行。一個(gè)應(yīng)用程序中的多個(gè)用戶(hù)級(jí)線程被映射到一些（小于或等于用戶(hù)級(jí)線程的數(shù)目）內(nèi)核級(jí)線程上。圖2-2(c)說(shuō)明了用戶(hù)級(jí)與內(nèi)核級(jí)的組合實(shí)現(xiàn)方式。
圖2-2用戶(hù)級(jí)和內(nèi)核級(jí)線程
多線程模型
有些系統(tǒng)同時(shí)支持用戶(hù)線程和內(nèi)核線程由此產(chǎn)生了不同的多線程模型，即實(shí)現(xiàn)用戶(hù)級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程的連接方式。
1) 多對(duì)一模型
將多個(gè)用戶(hù)級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，線程管理在用戶(hù)空間完成。
此模式中，用戶(hù)級(jí)線程對(duì)操作系統(tǒng)不可見(jiàn)（即透明）。
優(yōu)點(diǎn)：線程管理是在用戶(hù)空間進(jìn)行的，因而效率比較高。
缺點(diǎn)：當(dāng)一個(gè)線程在使用內(nèi)核服務(wù)時(shí)被阻塞，那么整個(gè)進(jìn)程都會(huì)被阻塞；多個(gè)線程不能并行地運(yùn)行在多處理機(jī)上。
2) 一對(duì)一模型
將每個(gè)用戶(hù)級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程。
優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)一個(gè)線程被阻塞后，允許另一個(gè)線程繼續(xù)執(zhí)行，所以并發(fā)能力較強(qiáng)。
缺點(diǎn)：每創(chuàng)建一個(gè)用戶(hù)級(jí)線程都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程與其對(duì)應(yīng)，這樣創(chuàng)建線程的開(kāi)銷(xiāo)比較大，會(huì)影響到應(yīng)用程序的性能。
3) 多對(duì)多模型
將 n 個(gè)用戶(hù)級(jí)線程映射到 m 個(gè)內(nèi)核級(jí)線程上，要求 m <= n。
特點(diǎn)：在多對(duì)一模型和一對(duì)一模型中取了個(gè)折中，克服了多對(duì)一模型的并發(fā)度不高的缺點(diǎn)，又克服了一對(duì)一模型的一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程占用太多內(nèi)核級(jí)線程，開(kāi)銷(xiāo)太大的缺點(diǎn)。又擁有多對(duì)一模型和一對(duì)一模型各自的優(yōu)點(diǎn)，可謂集兩者之所長(zhǎng)。
