2.5、线程概念和多线程模型-创新互联

整体框架

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1、什么是线程，为什么要引入线程？

还没有引入进程之前，各个程序只能串行执行

进程是程序的一次执行过程，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

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有的进程可能需要 “同时” 做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。

为此，引入了 “线程”，来增加并发度。

引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位

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可以把线程理解为 “轻量级进程” 。

线程 \color{red}线程 线程是一个 基本的 CPU 执行单元 \color{red}基本的\texttt{CPU}执行单元 基本的CPU执行单元，

• 也是 程序执行流的最小单位 \color{red}程序执行流的最小单位 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 \color{red}各线程之间 各线程之间也可以 并发 \color{red}并发 并发，

  从而进一步 提升了系统的并发度 \color{red}提升了系统的并发度 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（如QQ视频、文字聊天、传文件)

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引入线程后， 进程 \color{red}进程 进程只作为 除 CPU 之外的系统资源的分配单元 \color{red}除\texttt{CPU}之外的系统资源的分配单元 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）。

即：进程只作为分配资源的基本单位，而将线程作为调度的基本单位

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2、引入线程带来的变化

3、线程的属性

例如：从 QQ 聊天窗口跳到 b 站视频就是不同进程之间线程的切换

4、线程的实现方式 4.1、用户级线程(User-Level Thread,ULT)

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 \color{red}线程管理工作 线程管理工作都由 应用程序负责 \color{red}应用程序负责 应用程序负责（包括线程切换)

用户级线程中，

• 线程切换 \color{red}线程切换 线程切换可以在 用户态下即可完成 \color{red}用户态下即可完成 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 \color{red}用户级线程 用户级线程” 就是 “ 从用户视角看能看到的线程 \color{red}从用户视角看能看到的线程 从用户视角看能看到的线程”

4.2、内核级线程(Kernel-Level Thread, KLT)

又称 “内核支持的线程”

内核级 线程的管理工作 \color{red}线程的管理工作 线程的管理工作由 操作系统内核 \color{red}操作系统内核 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 \color{red}内核级线程的切换 内核级线程的切换必然需要在 核心态 \color{red}核心态 核心态下才能完成。

可以这样理解，“ 内核级线程 \color{red}内核级线程 内核级线程”就是 “ 从操作系统内核视角看能看到的线程 \color{red}从操作系统内核视角看能看到的线程 从操作系统内核视角看能看到的线程”

4.3、二者组合

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式:

将n个用户级线程映射到m个内核级线程上（n >= m）

重点重点重点 \color{red}重点重点重点 重点重点重点：

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 \color{red}内核级线程才是处理机分配的单位 内核级线程才是处理机分配的单位。

例如：

上述这个模型中，该进程由两个内核级线程，三个用户级线程，在用户看来，这个进程中有三个线程。

• 但即使该进程在一个 4 核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行。

5、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，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了 “多线程模型” 问题。

5.1、多对一模型

多对一 \color{red}多对一 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

因为线程是处理机调度的基本单位，而不是资源分配的基本单位。多个用户级映射在一个内核级线程，内核认为仅有一个线程，当一个用户级线程被阻塞，内核认为所映射的内核级线程也被阻塞，故所有映射到该内核级的用户级线程都被阻塞

5.2、一对一模型

一对一 \color{red}一对一 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。

5.3、多对多模型

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。

6、整体框架

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