操作系统笔记 – 线程

在传统操作系统中，每个进程都有一个地址空间、一个控制线索和一个程序计数器，所以一个进程内部是顺序执行的。但是在很多现代操作系统中，为这两个角色赋予两个实体：作为资源分配单位时，进程只作为资源拥有者，负责申请和占有所需的全部资源（除CPU）；为进程参与调度和运行的职责赋予新的实体——线程（Thread）。

3.1 什么是线程

3.1.1 线程的概念

线程是进程中执行运算的最小单位，也是执行处理机调度的基本单位。在多处理器系统中，各个线程可以在单独的CPU上运行，从而大大提高了系统的效率。

引入线程概念的原因：

1. 使并行实体获得共享同一地址空间和所有可用数据的能力。
2. 便于切换，代价地。由于线程只具有少量私有资源，不具有单独的地址空间，所以线程又被称为轻载进程（LWP）。在许多系统中，创建一个线程要比创建一个进程快10到100倍。
3. 可以改善系统的性能。

3.1.2 线程的组成

每个线程都有一个thread结构，即线程控制块，用于保存自己私有的信息。线程主要由以下4个基本部分组成：

1. 一个唯一的线程标识符
2. 描述处理器工作状况的一组寄存器的内容
3. 每个thread结构有两个指针，一个指向核心栈，一个指向用户栈。
4. 一个私有存储区。

3.1.3 线程的状态

与进程相似，线程也有若干状态：

1. 运行状态：线程正在CPU上执行程序，真正处于活动状态。
2. 就绪状态：线程具备运行条件，一旦分配到CPU，就可以马上投入运行。
3. 阻塞状态：线程正等待某个事件发生。
4. 终止状态：当一个线程完成任务后，它占用的寄存器和栈等私有资源会被系统回收，重新分配给其他线程。

3.1.4 线程和进程的关系

1. 一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。而一个线程只能在一个进程的地址空间内活动。
2. 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。
3. 处理机分配给线程，即真正在处理机上运行的使线程。
4. 线程在执行过程中需要协作同步，不同进程的线程之间要利用消息通信的办法实现同步。

3.2 线程的实现方式

在很多系统都实现了线程，如Windows，Linux等。但是它们的实现方式并不完全相同，主要有用户级线程和核心级线程两种实现方式。

3.2.1 用户级线程

在这种方式下，整个管理线程的线程库放在用户空间，管理线程的工作全部由应用程序完成，核心对进程一无所知，只对常规进程实施管理。

用户级线程方式优点主要有：

1. 线程切换速度很快，无需进行系统调度。
2. 调度算法可以是应用程序专用的。允许不同的应用程序采用适合自己要求的不同的调度算法，并且不干扰底层的操作系统的调度程序。
3. 用户级线程可以运行在任何操作系统上，包括不支持线程机制的操作系统。线程库是一组应用级的实用程序，所有应用程序都可以共享。

用户级线程方式缺点主要有：

1. 系统调用的阻塞问题。多数系统调用都是阻塞式的，当一个线程执行系统调用时，不仅他自己被阻塞，而且同一个进程内的所有线程都被阻塞。
2. 在单纯用户级线程方式中，多线程应用程序不具有多处理器的优点。因为核心只为每个进程一次分配一个处理器，每次只执行该进程的一个线程，在该线程自愿放弃CPU之前，不会执行该进程内的其他线程。

3.2.2 核心级线程

在这种方式下，核心知道线程存在，并对它们实施管理。线程表不在每个进程的空间中，而在核心空间中。当一个线程想创建一个新线程或者删除一个现有线程时，必须执行系统调用。

核心级线程方式优点主要有：

1. 在多处理器系统中，核心可以同时调度统一进程的多个线程，真正实现并行操作。
2. 如果一个进程的某个线程阻塞了，核心可以调度同一个进程的另一个线程。
3. 核心线程本身也可以是多线程的。

核心级线程方式缺点主要有：

1. 控制转移开销大。在同一进程中，从一个线程切换到另一个线程时，需要将模式切换到核心态。在单CPU系统中，针对线程的创建、调度、执行直至完成的事件以及线程间同步开销的时间，核心级线程方式都比用户级线程方式高一个数量级。
2. 调度算法由核心确定，应用进程无法影响线程的切换。