线程概念和多线程模型

1 线程概念

  在没有线程之前,系统中进程之间是并发执行的,但是进程是程序的一次执行,即一个进程只能串行执行一系列程序,如使用QQ视频,发送文件和文字聊天这三件事就不可能并发执行,为此引入了线程,让一个进程内可以并发处理多个任务(如QQ视频、文字聊天,发送文件),所以线程让进程并发成为了可能。
  线程是一个最基本的CPU执行单元,是程序执行流的最小单位。线程实现了进程内部的并发,进一步提高了体从的并发度。

2 线程引入后的变化

  进程是资源分配的基本单位,线程是调度的基本单位。
  线程让进程内部也能并发执行,提高了并发度。
  如果同一个进程内的线程切换,不需要切换进程环境,系统开销小。

3 线程属性

  (1) 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,同一进程中线程间通信甚至不需系统干预。
  (2) 每个线程都有一个线程ID,线程控制块(TDB)。
  (3) 线程几乎不拥有系统资源。
  (4) 多CPU计算机,各个线程可占用不同的CPU。
  (5) 同一个进程的线程切换,不会引起线程切换。不同进程中的线程切换回引起线程切换。切换进程内的线程由于不需要切换进程环境,系统开销小。

4 线程的实现方式

  线程实现方式:用户级线程和内核级线程。

  4.1 用户级线程

  用户级线程由程序通过线程库实现。所有线程管理工作都是由应用程序负责(包括线程切换)。用户线程中,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,但是操作系统内核看来,并意识不到线程的存在。用户线程对用户不透明,对操作系统透明。

  注:在计算机中,从某个角度看不到的特性称该特性是透明的,操作系统看不到用户线程,所以对操作系统是透明的。

  4.2 内核级线程

  内核级线程的管理工作是由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都是由内核负责,因此内核线程必须需要在核心态下才能完成。

  4.3 组合方式

  在同时支持用户线程和内核线程的系统中,可以采用二者组合的方式,将n个用户线程映射到m个内核线程上(n≥m)。
  由于操作系统只看得见内核级线程,所以内核级线程才是处理机分配的单位。
  由于操作系统只看得见内核级线程,所以内核级线程才是处理机分配的单位。


  所以对于上图,只有两个内核级线程,所以即使在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,因为内核级线程才是处理机分配的单位。

5 多线程模型

  5.1 多对一模型

  多对一模型:多个用户级线程映射到一个内核级线程,每个用户进程对应一个内核级线程。



  优点:用户级线程切换在用户空间就可以完成,不需要切换到核心态,线程管理的系统开销小,效率高。
  缺点:当一个线程被阻塞后,整个进程就会被阻塞,并发度不高。多个线程不可以在多核处理机上并行运行。

  5.2 一对一模型

  一对一模型:一个用户线程映射到一个内核线程。



  优点:当一个线程被阻塞,别的线程还可以继续执行,并发能力强。多线程在多核处理机上可以并行执行。
  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,开销大。

  5.3 多对多模型

  多对多模型:n个用户线程映射到m个内核级线程,每个用户进程对应m个内核级线程。



  多对多模型综合了上面两种模型的优点,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内核级线程,开销大的缺点。

6 小结

  本文完


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