操作系统（6）----线程相关

1.线程与进程的关系

2.线程的属性

3.线程的实现方式

用户级线程

内核级线程

多线程模型

一对一模型:

多对一模型：

多对多模型：

4.线程的状态和转换

5.线程的组织与控制

1.线程与进程的关系

可以把线程理解为“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 (如QQ视频、文字聊天、传文件)
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)。

现在来总结一下引入线程机制后发生了哪些变化

1.传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位。引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位

2.传统进程机制中，只能进程间并发。引入线程后，各线程间也能并发，提升了并发度

3.传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大。线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小引入线程后，并发所带来的系统开销减小

2.线程的属性

（1）线程是处理机调度的单位

（2）多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU

（3）每个线程都有一个线程ID、线程控制块 (TCB)

（4）线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态

（5）线程几乎不拥有系统资源

（6）同一进程的不同线程间共享进程的资源

（7）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

（8）同一进程中的线程切换，不会引起进程切换

（9）不同进程中的线程切换，会引起进程切换

（10）切换同进程内的线程，系统开销很小

（11）切换进程，系统开销较大

3.线程的实现方式

用户级线程

早期的操作系统 (如: 早期Unix）只支持进程不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的

从代码角度看，线程其实就是一段代码逻辑。上述三段代码逻辑上可以看作三个"线程"，下述while循环就可以看作一个"线程库"，线程库完成了对线程的管理调度工作。

很多编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建、销毁、调度等功能。那么线程的管理工作由谁完成呢？从上面的例子可以看出，线程的管理是由应用程序完成的，不需要操作系统的介入。线程的切换工作也不需要CPU参与，直接在用户态下就能完成线程的切换工作。

注：操作系统是不知道用户级线程的存在的，他只知道这是一个进程，而进程才被分为多个线程。

所以这样的线程被称为用户级线程，只有用户才知道线程的存在，操作系统是不知道的。

用户级线程的优点和缺点：

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

我们之前提到过，在引入线程后，线程是CPU调度的基本单位，但是在用户级线程中，CPU调度的基本单位还是进程

内核级线程

内核级线程(Kernel-LevelThread,KLT，又称“内核支持的线程”)是操作系统支持的线程，即操作系统视角也可以看得到的线程

那么这种实现方式线程的管理工作由谁来完成呢？由于此线程是在操作系统层面实现的线程，所以管理工作由操作系统完成。并且线程的切换需要从用户态转变为内核态。

内核级线程的优点和缺点

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。

多线程模型

如何将两种方式结合起来，只要在支持内核级线程的系统中，再引入线程库，就可以实现将若干个用户级线程映射到某一个内核级线程

一对一模型:

一个用户级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。

多对一模型：

多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。

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,因为只有内核级线程才是处理机的分配单位，如果一个进程只对应一个内核级线程的话，在同一时间内这个进程只能被分配一个CPU的核心，若一个进程对应多个内核级线程，那么在多核CPU的环境下，这些内核级线程肯定是可以并行执行的。

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 (一个阻塞全体阻塞)，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。

总结一下：

用户级线程是"代码逻辑"的载体，而内核级线程是"运行机会"的载体，内核级线程才是处理机分配的单位。例如:多核CPU环境下，上面这个进程最多能被分配两个核。一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行。
内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞。