线程的概念和多线程模型

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《操作系统》

什么是线程,为什么要引入线程?

还没引入进程之前,系统中各个程序只能串行执行。所以只能一个进程执行完才能执行另外一个进程。进入了进程的概念之后,多个进程之间可以并行执行,从而实现了用户在计算机上可以便听音乐边聊qq的需求。

然而对于某一个进程而言,比如qq,它可以同时发送文件和视频聊天,但是进程是程序的一次执行,是程序执行流的最小单位,所以此时发送文件和视频聊天就不可能同时进行。

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”,来增加并发度。

引入线程后,线程成为了程序执行流的最小单位。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)。

引入了线程机制后,有什么变化

线程的属性

线程的实现方式

用户级线程

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。但是在操作系统内核看来,并意识不到线程的存在。(用户级线程对用户不透明,对操作系统透明)。可以这样理解,“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”

内核级线程

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。

可以这样理解,“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”。

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中,可采用二者组合的方式:将n个用户级线程映射到m个内核级线程上( n >= m)

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。

例如:左边这个模型中,该进程由两个内核级线程,三个用户级线程,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。

多线程模型

多对一模型

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

多对多模型: n用户及线程映射到m个内核级线程(n >= m)。每个用户进程对应m个内核级线程。

克服了多对一模型并发度不高的缺点,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。


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