王道操作系统考研笔记——2.1.5 线程概念与多线程模型

2.1.5 线程概念与多线程模型

2.1.5.1 线程的来源

在很久以前还没有引入进程之前，系统中的各个程序只能串行执行。比如你想要边听歌边开QQ，这是不可能做到的，只能先做一件事再做一件事。

后来引入进程后，系统中的各个程序可以并发执行。也就是说，可以同时听歌和开QQ。但是，即使引入了进程，也不能在QQ中同时视频聊天和传输文件。这是因为操作系统每一次执行都是按照进程为单位来执行的。

从上面的例子来看，进程是程序的一次执行。但是这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。

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，引入了线程来提高并发度。

在传统中，进程是程序执行流的最小单位，也就是说，CPU每次执行任务，最少执行一个进程。而后在现在，CPU每次执行任务，最少执行一个线程，线程是进程的子集。也就是说，引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。

综上所述，我们可以把线程理解为“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）。

2.1.5.2 线程机制带来的变化

切换进程环境的类比：

去图书馆看书。

切换进程运行环境 = 有一个不认识的人要用桌子，你需要把你的书（运行环境）收走，他把自己的书（运行环境）放到桌上。

同一进程内的线程切换 = 你的舍友要用到这张书桌，可以不把桌子上的书收走，因为大家彼此认识（属于同一个进程）。

2.1.5.3 线程的属性

2.1.5.4 线程的实现方式

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都由应用程序负责（包括线程切换）。用户级线程中，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；但是对于操作系统内核来说，并意识不到线程的存在。即用户级线程对用户不透明，对操作系统透明。

内核级线程（Kernel-Level Thread,KTL，又称为“内核支持的线程”）

内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用两者组合的方式：将n个用户级线程映射到m个内核级线程上（n>=m）

需要重点关注的是：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。

拿上面的映射图来说，该进程由两个内核级线程和三个用户级线程构成，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。

2.1.5.5 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。

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。

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。

多对多模型

n用户线程映射到m个内核级线程（n>=m）。每个用户进程对于m个内核级线程。

其克服了多对一模型和一对多模型的缺点。

2.1.5.6 小结

这一小节的知识点易作为选择题考查。

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