进程与线程（二）线程相关

进程 的引入是为了更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量；
线程（Threads） 的引入是为了减小程序在并发执行时付出的时空开销，提高操作系统并发性能。

一. 基本概念

• 线程： ---->轻量级的进程，是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元。
• 结构：由线程ID，程序计数器（PC），寄存器集合，堆栈 组成。

线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。

• 线程特点：
  • 线程本身不拥有系统资源，只拥有一点儿运行中必不可少的资源，可以于同属一个进程的线程共享进程的全部资源。
  • 一个线程可以创建，撤销另一个线程，同一个进程的线程之间可以并发执行。
  • 线程之间的相互制约，使得 线程呈现出间断性。
  • 线程也具有：就绪，阻塞，运行三种基本状态。

引入线程后，进程内涵变为：只作为除CPU以外的系统资源的分配单元。线程成为CPU的分配单元
一个进程内部发生线程切换只需要消耗较少的时空开销。

二. 线程与进程的比较

• 调度
  • 进程的调度上下文切换开销大。
  • 线程切换代价远低于进程。
  • 同一进程中，线程切换不会引起进程切换；但不同进程的线程切换会引起进程切换。
• 并发性：
  • 引入线程后，不仅不同进程可以并发执行；同一个进程的多个线程可以并发执行，不同进程的线程也可以并发执行。

使得操作系统并发性更好，提高了资源利用率和系统吞吐量。

• 拥有资源：
  • 进程是OS中拥有系统资源的最基本单位，线程不具有系统资源
  • 线程可以访问隶属进程的系统资源：表现在同一个进程的不同线程具有相同的地址空间。
• 独立性：
  • 每个进程具有独立的地址空间和资源，除了共享全局变量，不允许其他进程访问。
  • 每个进程的线程对其他进程不可见。
• 系统开销：
  • 创建/撤销进程时，系统需要分配和回收PCB以及其他资源，开销大。
  • 线程的创建/撤销 和 切换 开销很小。因此线程之间的同步与通信容易实现，甚至无需OS干预。
• 支持多处理器系统：
  • 传统单线程进程：不管多少个CPU，进程只能运行在一个CPU上
  • 多线程进程：可以将进程的多个线程分配到多个CPU上执行。

三. 线程的属性

• 线程是一个轻型实体，每个线程都有一个唯一标识符和一个线程控制块（记录线程执行的寄存器和栈结构等状态）
• 不同的线程可以执行相同的程序。【一个程序被多个用户调用时，OS将它们创建成不同的线程】
• 一个进程中线程共享该进程的资源
• 线程是CPU的独立调度单位。【单个CPU：多线程交替占用CPU；多个CPU：各个线程可以同时占用不同CPU】
• 线程创立后，会经历阻塞，就绪运行等状态的变化。

四. 线程的状态与切换

• 执行态：线程获得CPU而正在运行。
• 就绪态：只缺少CPU即可立即执行。
• 阻塞态：因某件事受阻（不单单是缺少CPU）处于暂停状态。

线程的状态转换与进程是一样的。

五. 线程的组织与控制

线程控制块（TCB）

结构：包括 ①线程标识符；②一组寄存器【PC，状态寄存器，通用寄存器】；③线程运行状态标识；④优先级；⑤线程专有存储区：线程切换时用于保护现场；
⑥堆栈指针：过程调用时保存局部变量和返回地址等。

同一进程的线程共享进程地址空间每个单元，因此一个线程可以读，写，清除另一个线程的堆栈。

线程创建

线程具有生命周期，由创建而产生，由调度而执行，终止而消亡。OS中存在用于创建线程和终止线程的函数（或系统调用）。
用户程序启动时候，通常只有一个名为 初始化线程的线程正在执行，用于创建新的线程。需要利用线程创建函数并提供相应的参数，如：指向线程主程序的入口指针，堆栈的的大小，线程优先级等。执行完毕后，将返回一个线程标识符。

线程终止

当一个线程完成任务（或被强行终止）后，由终止线程调用相应函数执行终止操作。但是有些线程（主要是系统线程）一旦建立就一直运行，不会被终止。

通常，线程被终止后并不立即释放占有的资源，只有当进程中所有线程执行分离函数后，线程才会与资源分离。

六. 线程的实现方式

用户级线程（User-Level-Thread，ULT）

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。

• 定义：”从用户视角能看到的线程“
• 特点：
  • 线程管理（创建，撤销和切换等）所有工作由应用程序在用户空间（用户态）下完成，无需OS的干预。内核意识不到线程的存在。
  • 应用程序可以通过线程库设计成多线程程序
• 优点：与操作系统平台无关；用户级线程切换在用户空间即可完成，不需要切换到内核态，线程管理系统开销小，效率高。
• 缺点：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。多个线程不能在多核处理机上并行运行。【内核分配给一个进程的只有一个CPU，因此进程中只有一个线程可以执行】

内核级线程（Kernel-Level-Thread，KLT）

组合方式

内核支持多个内核级线程的建立，调度和管理；同时允许用户建立，调度和管理用户级线程，这是用户级线程通过时分多路复用内核级线程实现的。

• 特点：同一进程的多个线程可以同时在多个CPU上并行执行。

拓展：线程库（thread library）
是为程序员提供创建和管理线程的API，实现线程库的主要方法：

用户级线程，内核级线程和组合方式线程链接简化图：

七. 多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程连接方式的不同，分为以下三种模型。

多对一模型

一对一模型

多对多模型