学习日期：2024.7.2

内容摘要：线程的概念、存在的意义、线程的属性，线程的实现方式，线程的状态与组织。

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线程的概念

拿QQ来说，QQ既可以打视频电话，也可以在这同时进行文字聊天或传送文件，进程是程序的一次执行。但这些功能显然不可能是一个程序顺序处理一次就能实现的。

有的进程需要“同时”做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序，所以引入了线程来增加并发度。

传统的进程机制中，进程是程序执行流的最小单位，但在引入线程之后，线程成为了最小单位。

线程是一个基本的CPU执行单元，是程序执行流的最小单位。                                                                        在引入线程后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各个线程之间也可以并发，进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内可以同时处理更多的任务。（如QQ视频、文字聊天、文件传输等）而进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元。（如打印机、内存地址空间等资源都是以进程为单元分配）

传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大，但如果是同一进程的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销较小。

线程的属性

线程的实现方式

用户级线程（User-Level Thread,ULT）

历史背景：早期的操作系统（如：早期Unix）只支持进程，不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的。

很多编程语言提供了强大的线程库，程序员可以利用线程库实现线程的创建、销毁、调度等功能，操作系统事实上只“看得到”进程。

1.线程的管理工作谁来完成？

用户级线程的管理本质上是由线程库负责的，并不是由操作系统负责的。（这也是“用户级线程”名字的由来）

2.线程切换是否要CPU变态？

线程切换并不需要请求操作系统的服务，也是由线程库管理的，在用户态下即可完成，不需要CPU切换到核心态。

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：当某一个用户级线程被阻塞后，进程中其它的线程全部会被阻塞（进程进入阻塞态了），并发度并不高。同时多个线程不可在多核处理机上运行。（此时对操作系统来说，CPU分配的最小单位依然是进程）

内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT）

由操作系统支持的线程，大多数现代操作系统都实现了内核级线程，如Windows，Linux等。

操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB（Thread Control Block，线程控制块），通过TCB对线程进行管理（类似PCB）。“内核级线程”就是“操作系统能看得到的线程”。

以一对一模型为例：

1.线程的管理工作谁来完成？

内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。

2.线程切换是否要CPU变态？

线程的调度、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CPU在核心态下才能完成。

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还能继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并发执行。

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。

多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型。

一对一模型

一个用户级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：同“内核级线程”部分的介绍，当一个线程被阻塞后，别的线程还能继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并发执行。

缺点：同“内核级线程”部分的介绍，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。

多对一模型

多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。

本质上退化成为了用户级线程的实现方式，虽然操作系统“看得见”线程，但只看得见内核级的线程，又因为每个进程只被分配一个内核级线程，所以本质上还是ULT的线程实现方式。

对比用户级线程实现方式，事实上就是在线程库和进程之间增加了一个“内核级线程”作为处理机分配的单位而已。

优缺点同用户级线程的优缺点。

多对多模型

n个用户级线程映射到m个内核级线程，且n≥m，每个用户进程对应m个内核级进程。

克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞），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（n≥m，相对一对一来说能减少内核级线程数量）。

可以这么理解：

用户级线程是“代码逻辑”的载体。

内核级线程是“运行机会”的载体。（“内核级线程”才是处理机分配的单位）

一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行。

内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，只有所有的内核级线程中正在运行的代码逻辑都被阻塞时，我们才说这个进程进入了阻塞状态。（进程全部的线程都进入了阻塞状态）

线程的状态与组织

线程有运行、阻塞、就绪三个状态，状态转换非常类似进程。

线程的组织与控制——基于TCB（类似进程的PCB）

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 内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》