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，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
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
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
| 进程|线程| | :-----: | :-----: | | 进程是资源分配单位 | 线程是CPU调度单位 | | 进程拥有一个完整的资源平台 | 线程只独占指令执行流执行的必要资源，如寄存器和栈 | | 进程具有就绪、等待和运行三种基本状态和状态间的转换关系 | 线程具有就绪、等待和运行三种基本状态和状态间的转换关系 |
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
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 当一个线程被阻塞，其他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，需要切换到内核态，因此管理的成本高，开销大 |
3.3 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)
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
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 |
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 |
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：
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