线程基本概念 - 进程与线程（三）_进程与线程 导入视频

在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序能并发执行，以提高资源的利用率和系统的吞吐量，那么在操作系统中再引入线程（mini进程），则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发行。本小节主要是学习以下内容

• 什么是线程，为什么要引入线程
• 与进程相比，线程有哪些特点
• 用户线程
• 内核线程

1. 线程的引入

我们以软件生活中，常见的应用为例，我们要编写一个MP4的播放软件，其核心功能模块有以下三个：

• 磁盘文件中读取MP4数据
• 对视频数据进行解码
• 把解码后的视频数据进行播放
• 对于目前采用进程的方法，我们可以采取两种方案。

1.1. 方案一：单进程的实现方式

方案存在的问题：

• 播放的视频是否能够连贯
• 各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率

1.2. 方案二：多进程的实现：

存在的问题

• 进程之间如何通信，如何共享数据
• 系统开销比较大，创建进程、进程结束、进程切换

对于这三个进程，都是为了完成该软件的某一部分功能，但是功能与功能之间必须并发的执行，当切换进程，需要保存/恢复进程运行环境，还需要切换内存的地址空间，更新块表等开销，所以在进程内部增加了一类实体，这个实体就是线程(Thread)，满足以下特性

• 实体之间可以并发执行
• 实体之间共享相同的地址空间

我们在回过头去看刚才的例子，其处理过程如下图所示

一个进程可以包含多个线程，不同的线程之间可以执行不同的代码序列，例如，我们的读取视频数据，解码，播放分别为3个线程。引入线程后，线程是CPU调度的基本单位，也就是说现在CPU为各个线程服务。虽然引入了进程，但是进程依然是资源分配的基本单位，从属于统一进程的各个线程共享进程的资源。所以针对以下问题，就需要引入线程的概念

• 创建进程的开销较大，包括数据、代码、堆、栈等
• 进程的隔离性过强，进程间交互，可以通过进程间通信IPC，但是开销较大
• 进程内部无法支持并行

2. 线程的概念

从上面可以看出，线程是进程的一部分，描述指令流执行状态，它是进程中的指令执行流的最小单元，是CPU调度的基本单位。

• 进程的资源分配：进程是由一组相关资源构成，包括地址空间(代码段、数据段)、打开的文件等各种资源
• 线程的处理机调度角色： 线程描述在进程资源环境中的指令流执行状态

从上图可以看出，所以线程 = 进程 - 共享资源。线程的优点

• 一个进程可以同时存在多个线程
• 各个线程之间可以并发执行
• 各个线程之间可共享地址空间和文件等资源

线程的缺点：

• 一个线程崩溃，会导致其所属进程的所有线程崩溃

线程能减小并发执行时间和空间开销

• 线程创建时间比进程短
• 线程的终止时间比进程短
• 同一进程内线程的切换时间比进程短
• 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，可不通过内核进行直接通信

3. 线程的三种实现方式

3.1 用户线程

用户线程是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的创建、调度、同步和销毁全又库函数在用户空间完成，不需要内核的帮助。因此这种线程是极其低消耗和高效的。由于早期的操作系统(如早期的unix)只支持进程，不支持线程，但是的线程是由线程库实现的，我们还是以我们上面的播放软件为例：

从代码的角度，线程其实就是一段代码逻辑，上述三段代码逻辑可以看成三个“线程”。while循环就是一个最弱智的“线程库”，线程库完成了对于线程管理工作。很多 编程语言都提供了强大的线程库，可以实现线程的创建，调度，销毁等功能。对于用户线程我们需要解释以下问题

• 线程的管理工作是由谁来完成
• 线程切换是否需要CPU来完成，由用户态转换到内核态
• 操作系统是否能意识到用户线程的存在
• 这种线程的实现方式有什么优点和缺点

首先我们来看看用户线程的概念

用户线程是由应用程序通过线程库实现的，所有的线程管理工作都是由应用程序负责，包括线程的切换工作，也就是说

• 用户线程中，线程的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，意识不到线程的存在，所以用户线程，是从用户视角看到的线程

下面我们来看看用户线程的特征

• 不依赖于操作系统的内核，内核不了解用户线程的存在，可用于不支持线程的多进程操作系统
• 在用户空间实现的线程机制，每个进程有私有的线程控制块TBC，并且由线程库维护
• 同一进程内的用户线程切换速度快，无需用户态/内核态切换，线程管理系统的开销小，效率比较高
• 允许每个进程拥有自己的线程调度算法

用户线程的不足：

• 线程发起系统调用而阻塞时，则整个进程等待，并发度并不高，多个线程不可在多核处理器上并行运行
• 不支持基于线程的处理机抢占，除非当前运行线程主动放弃，它所在进程的其他线程无法抢占CPU
• 只能按进程分配CPU时间片，多个线程进程，每个线程的时间片较少

3.2 内核线程

由内核通过系统调用实现的线程机制，由内核完成线程的创建、终止和管理

• 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成
• 线程调度、切换等工作都有内核负责，因此内核级线程的切换必须要在内核下才能完成
• 操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB(Thread Control Block，线程控制块)，通过TCB对线程进行管理，内核级线程就是从操作系统内核视角看到的线程

3.3 组合方式

3.4 轻量级进程

它是内核支持的用户线程，一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个轻量级进程由一个单独的内核线程来支持(Solaris和Linux)

目前使用的三种主要线程库是：posix pthreads、Windows API、JAVA。pthreads作为POSIX标准的扩展，可以提供用户级和内核级的库，实现是在pthread在Linux的libc中实现。通常的libc是glibc-glibc pthreads实现称为NPTL，其源可在gitweb中获得ftp.gnu.org/gnu/glibc。

4. 多线程模型

在支持内核级线程的系统上，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以化为为以下几种多线程模型

4.1. 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线程同数据的内核线程

优点    缺点
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，多线程可以在多核处理器上并发执行    一个用户进程占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到内核态，因此管理的称根本较高，开销较大

4.2. 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    缺点
用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到内核态，线程的管理开销小，效率高    当一个用户级线程被阻塞，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

4.3. 多对多模型：

n个用户级线程映射到m个内核级线程(n >= m)，每个用户进程对应m个内核级线程，这种方式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

用户级线程是“代码逻辑”的载体
内核级线程是“运行机会“的载体
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呗阻塞了，这个进程才会被阻塞

5. 总结

本章分析了为什么需要线程，其主要包括，同时也介绍了线程的基本概念和分类

• 创建进程的开销较大： 包括了数据、代码、堆、栈等
• 进程的隔离性过强： 进程间的交互，可以通过进程间通信，但是开销过大
• 进程内部无法支持并行：

看了一遍排在前面的答案，类似”进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位“这样的回答感觉太抽象，都不太容易让人理解。

做个简单的比喻：进程=火车，线程=车厢

• 线程在进程下行进（单纯的车厢无法运行）
• 一个进程可以包含多个线程（一辆火车可以有多个车厢）
• 不同进程间数据很难共享（一辆火车上的乘客很难换到另外一辆火车，比如站点换乘）
• 同一进程下不同线程间数据很易共享（A车厢换到B车厢很容易）
• 进程要比线程消耗更多的计算机资源（采用多列火车相比多个车厢更耗资源）
• 进程间不会相互影响，一个线程挂掉将导致整个进程挂掉（一列火车不会影响到另外一列火车，但是如果一列火车上中间的一节车厢着火了，将影响到所有车厢）
• 进程可以拓展到多机，进程最多适合多核（不同火车可以开在多个轨道上，同一火车的车厢不能在行进的不同的轨道上）
• 进程使用的内存地址可以上锁，即一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。（比如火车上的洗手间）－"互斥锁"
• 进程使用的内存地址可以限定使用量（比如火车上的餐厅，最多只允许多少人进入，如果满了需要在门口等，等有人出来了才能进去）－“信号量”