操作系统-线程的概念(什么是线程 为什么线程共享进程资源 为什么线程切换开销低 引入线程的变化 线程属性 为啥要引入线程)

news2024/9/29 11:26:07

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  • 总览
  • 什么是线程,为什么要引入线程
  • 引入线程机制的变化
  • 线程的属性

总览

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什么是线程,为什么要引入线程

此时qq进程内的视频文字聊天传输文件可以同时进行,如果进程内部是顺序执行的话,那么将某一时刻只能执行一个功能,显然不可能同时做这几件事情。
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CPU此时轮流为各个线程服务(即线程并发)

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除CPU资源外其他资源都是按进程来分配的,而CPU的使用权才会有根据线程来得到其使用权
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引入线程机制的变化

注意线程并发不需要切换进程环境,开销降低

并发开销减少,同样一段时间内即进程切换的次数少了,自然系统花销少了(可以理解为线程切换只有不同进程的才会切换进程环境,并不像之前只有切换必须会切换进程环境了,此时切换单位是线程,每次切换不一定会切换进程环境。)

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线程的属性

注意同一进程的不同线程共享进程的资源,切换同进程内的线程,系统开销很小

线程共享所在进程的资源是因为它们是同一进程的不同执行路径,自然地继承了进程的资源。被线程共享的进程资源如下

  • 代码段:所有线程执行的是相同的程序代码,这部分是只读的,因此可以安全地被多个线程共享。
  • 数据段:全局变量和静态变量是在所有线程之间共享的,这意味着任何一个线程对这些变量的修改都会影响到其他线程。
  • 堆区:动态分配的内存是共享的,任何线程都可以通过指针访问这块内存区域的数据。
  • 文件描述符、套接字和端口:打开的文件、网络连接等资源可以被所有线程访问,这对于I/O操作尤其重要。
  • 信号处理器:在Unix-like操作系统中,信号处理是在进程范围内设置的,因此所有线程共享同样的信号处理行为。
  • 环境变量:环境变量是所有线程共享的,它们通常包含有关系统配置的信息。
    此外,线程之间也有一些私有资源,如线程ID、寄存器组的值、线程的堆栈和错误返回码。这些资源对于线程的独立运行和上下文切换至关重要。

总的来说,线程共享进程资源的设计是为了提高资源利用率和程序的并发性能。通过共享内存空间和文件描述符等资源,线程可以高效地进行通信和协作,而不需要像进程间通信那样通过更复杂的IPC(进程间通信)机制。这种资源共享机制是多线程编程能够提高效率的关键因素之一。

切换线程时不需要切换共享的进程资源,是因为线程共享所在进程的资源。

线程是CPU调度的基本单位,而进程则是资源分配的基本单位。在同一个进程中的线程共享该进程的虚拟地址空间、打开的文件句柄、全局数据等资源。因此,当操作系统进行线程切换时,它不需要重新分配或切换这些资源,只需保存和恢复线程的执行上下文即可。具体来说:

  1. 虚拟地址空间:由于线程共享进程的虚拟地址空间,线程切换时不需要进行地址空间的转换。
  2. 文件句柄和全局数据:线程使用的是进程的资源,而不是拥有它们。这意味着在线程切换时,这些资源保持不变,线程可以直接访问。
  3. 上下文切换:线程切换主要涉及保存当前线程的执行状态(如寄存器值、程序计数器等)并加载下一个线程的状态,这是一个相对轻量级的操作。
  4. 性能影响:线程切换可能会影响TLB(Translation Lookaside Buffer)缓存的性能,但这通常比进程切换的影响要小,因为进程切换涉及到更多的资源重新分配。

总的来说,线程之间的资源共享机制使得线程切换比进程切换更加高效,因为它避免了重复的资源分配和释放操作。这种设计提高了多线程程序的运行效率,尤其是在需要频繁创建和销毁线程的场景中。
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