什么是线程,为什么要引入线程?
在还没引入线程之前1,系统中各个程序只能串行执行
exp:不能边听音乐边聊QQ
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引入了进程之后,可以边听音乐边聊QQ,但是QQ可以视频聊天同时可以文字聊天以及文件传送等。在传统的进程定义中,进程是程序的一次执行。但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。
有的进程可能需要“同时”做很多事情,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。
传统的进程是程序执行流的最小单位。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)。
引入线程机制后,有什么变化?
- 资源分配、调度
- 传统进程机制中,进程是资源分配、调度的基本单位
- 引入线程后,进程是资源分配的基本单位,线程是调度的基本单位。
- 并发性
- 传统进程机制中,只能进程间并发
- 引入线程后,各线程间也能并发,提升了并发度。
- 系统开销
- 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。
- 线程间并发,如果是同一进程内的线程切换,则不需要切换进程环境,系统开销小。
- 引入线程后,并发所带来的系统开销减小
类比:
去图书馆看书。
切换进程运行环境:有一个不认识的人要用这张桌子,你需要将你的书收走,他把自己的书放到桌子上。
同一进程内的线程切换:你的室友要用这张书桌,可以不把桌子上的书收走。
线程有哪些重要的属性
- 线程是处理机(CPU)调度的单位
- 多CPU计算机中,各个线程可占用不同的CPU
- 每个线程都有一个线程ID、线程控制块(TCB)
- 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
- 线程几乎不拥有系统资源
- 同一进程的不同线程间共享进程的资源
- 由于共享内存地址空间,同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
- 同一进程中的线程切换,不会引起进程切换
- 不同进程中的线程切换,会引起进程切换
- 切换同进程内的线程,系统开销很小
- 切换进程,系统开销较大
线程的实现方式
- 用户级线程(User-Level Thread,ULT)
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(Kernel-Level Thread,KLT,又称“内核支持的线程”)
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)
重点重点重点
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:上图那个模型中,该进程由两个内核级线程,三个用户级线程组成,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
在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中,由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题
- 多对一模型:多个用户级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上并行运行。
- 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: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:n个用户级线程映射到m个内核级线程(n >= m)。每个用户进程对应到m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。
以上笔记均整理自王道考研 ↩︎