（学习笔记-进程管理）线程

在早期的操作系统都是以进程为独立运行的基本单位，直到后面，计算机科学家们提出了更小的能独立运行的基本单位：线程

为什么使用线程?

举个例子，假设要编写一个视频播放软件，那么软件功能的核心模块有三个：

从视频文件中读取数据
对读取的数据进行解压缩
把压缩后的视频数据播放出来

对于单进程的实现方式：

对于单进程的这种方式，存在以下问题：

播放出来的画面和声音会不连贯，因为当CPU能力不够强的时候， Read 的时候可能进程就等在这了，这样就会导致等半天才进行数据解压和播放
各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率

那改成多进程的方式：

对于多进程的这种方式，依然会存在问题：

进程之间如何通信，共享数据？
维护进程的系统开销较大，如创建进程时，分配资源、建立PCB；终止进程时，回收资源、撤销PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息；

那到底如何解决呢？需要有一种新的实体，满足以下特性：

实体之间可以并发运行
实体之间共享相同的地址空间

这个新的实体，就是线程（Thread），线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。

什么是线程？

线程是进程当中的一条执行流程。

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程的优缺点？

线程的优点:

一个进程中可以同时存在多个线程
各个线程之间可以并发执行
各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源

线程的缺点：

当进程中的一个线程崩溃时，会导致其所属进程的所有线程崩溃（这里针对C/C++语言）。

举个例子，对于游戏的用户设计，则不应该使用多线程的方式，否则一个用户挂了，会影响其他同个进程的线程。

线程和进程的比较

线程和进程的比较：

进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是CPU调度的单位
进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈
线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系
线程能减少并发执行的时间和空间开销

对于线程相比进程能减少开销，体现在：

线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会设计这些资源管理信息，而是共享它们
线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程要小很多
同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存空间），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候就不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的
由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了

所以不管是时间效率还是空间效率，线程都比进程高。

线程的上下文切换

在前面我们知道了进程与线程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位

所谓操作系统的任务调度，实际上的调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

对于线程和进程，可以理解为：

当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的

另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换的时候也是需要保存的。

线程上下文切换的是什么？

这还得看线程是不是属于同一个进程：

当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样
当两个线程属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据

所以，线程的上下文切换要比进程开销小很多。

线程的实现

主要有三种线程的实现方式：

用户线程：在用户空间实现的线程，不是由内核管理的线程，是由应用层面的线程库来完成线程的管理，对于用户线程的存在，内核无法感知。
内核线程：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程
轻量级进程：在内核中来支持用户的线程

用户线程和内核线程的对应关系

首先，第一种关系是多对一的关系，也就是多个用户线程对应同一个内核线程：

第二种是一对一的关系，也就是一个用户线程对应一个内核线程：

第三种是多对多的关系，也就是多个用户线程对应到多个内核线程：

用户线程如何理解？存在什么优势和缺陷？

用户线程是基于用户态的线程管理库来实现的，那么线程控制块（Thread Control Block, TCB）也是在库里面来实现的，对于操作系统而言是看不到这个TCB的，内核无法感知用户级线程的存在，它只能看到整个进程的PCB 。

所以，用户线程的整个线程管理和调度，操作系统是不直接参与的，而是由用户级线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等。

用户级线程的模型，也就类似前面提到的多对一的关系，即多个用户线程对应同一个内核线程，如下图所示：

用户线程的优点：

每个进程都需要有它私有的线程控制块(TCB)列表，用来跟踪记录它各个线程状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB由用户级线程库函数来维护，可用于不支持线程技术的操作系统；
用户线程的切换也是由线程库函数完成的，无需用户态和内核态的切换，所以速度特别快；

用户线程的缺点：

由于操作系统不参与线程的调度，如果一个线程发起了系统调用而阻塞，那进程所包含的用户线程都不能执行了，无法做到真正意义上的并发
当一个线程开始运行后，除非它主动交出CPU的使用权，否则它所在的进程当中的其他线程无法运行，因为用户态的线程没法打断当前运行中的线程，它没有这个特权，只有操作系统才有，但是用户线程不是由操作系统管理的
内核资源的分配是根据进程分配的，用户级线程所在的进程可以竞争系统的资源，而每个用户线程只能竞争该进程内部的资源。对于一个进程，可能有成千上万个用户级线程，但是它们对系统的资源没有影响。