操作系统（6）---线程

一、线程

为什么引入线程？

单进程——>串行，多进程——>并发。问题：数据无法共享。进程之间不共享内存，就用多线程来解决。

多线程解决思路：

　　在进程内部增加一类实体（线程），线程之间可以并发执行，可以共享相同的地址空间。

线程的概念：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。

因为总有不能共享的资源，所有线程也有线程控制块TCB（保持地址独立）。

                                                             

二、线程与进程

进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位。

进程拥有一个完整资源平台，线程只独享指令流执行的必要资源，如堆栈、寄存器。

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。

线程能减少并发执行的时间和空间开销

• 线程的创建时间比进程短
• 线程的终止时间比进程短
• 同一进程内的线程切换时间比进程短

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。

线程=进程-共享资源

 

• 线程的优点：一个进程可以有多个线程，各线程可以并发执行，可以共享地址空间和文件等资源。
• 线程的缺点：一个线程崩溃，所属进程的其他进程都会崩溃。

主线程和函数线程

 

  

 

上面的例子可以看出：

• 主线程和函数线程并发执行
• 函数线程若提前于主线程结束，不影响主线程运行
• 主线程提前于函数线程结束，整个进程都会结束，其他进程均结束
• 哪个线程先执行取决于调度算法和当时机器环境决定

 

 

三、用户线程与内核线程

用户线程：由用户级线程函数完成线程的管理（线程的创建、终止、同步和调度等），内核不知道用户线程的存在。

                                                           

用户线程是多对一结构，一个内核进程为多个用户线程服务。

优点：1.同一进程内的用户线程切换速度快，不依赖操作系统内核（可用于不支持线程的多进程操作系统），无需用户态/核心态的切换，线程切换代价比内核线程少。

　　　2.允许每个进程拥有自己的线程调度算法。

缺点：1.一个用户线程发起系统调用占用内核资源而阻塞时，整个进程进入等待，不会进行线程切换，因为内核不知道多线程的存在。

　　    2.不支持基于线程的处理机抢占。除非当前运行的线程主动放弃，否则其所在进程的其他线程无法抢占CPU。

　　    3.只能按进程分配CPU时间。多线程的进程中，每个线程的时间片段少。

 

内核线程：由内核通过系统调用实现线程机制，完成线程的管理（线程的创建、终止、同步和调度等）。

                                                           

 

内核线程是一对一结构（单核心处理器），一个内核线程服务一个用户线程；多核心处理器是多对多结构，对于多线程一个核心有多个选择，但一次仍然只服务一个用户线程。

优点（多核处理器下）：

　　　1.内核可以并行同一进程的多个线程。

　　　2.一个线程执行系统调用而被阻塞不影响其他线程的执行，能够切换同一进程的其他线程继续执行（单核心处理器中，只有一个核心可用，可能会发生阻塞导致内核线程被延迟执行）。

　　    3.以线程为单位进行CPU时间分配，多线程的进程可以获得更多CPU时间。

缺点：在单核处理器中，操作系统需要在不同线程之前切换来模拟并发执行，而线程的创建、终止、切换开销大，需要通过系统调用/内核函数在内核实现，涉及用户态/核心态的转换，速度和效率不如用户级线程。

相比之下，多核处理器可以使多线程在不同的核心上执行，做到真正的并行，运行性能和效率得到了提升。多核处理器的效率受到算法的特点、线程调度机制、缓存等因素的综合影响，在某些情况下，当线程数超过了核心数量可能会导致线程间的资源竞争和调度，使CPU运行效率降低；但当线程的算力不足以充分利用CPU时，线程数的增加可以增加处理器的工作效率，比如超线程技术的使用。