在早期的操作系統(tǒng)都是以進(jìn)程為獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，直到后面，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們提出了更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位：線程

?

為什么使用線程?

舉個(gè)例子，假設(shè)要編寫一個(gè)視頻播放軟件，那么軟件功能的核心模塊有三個(gè)：

• 從視頻文件中讀取數(shù)據(jù)
• 對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮
• 把壓縮后的視頻數(shù)據(jù)播放出來(lái)

對(duì)于單進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)方式：

?對(duì)于單進(jìn)程的這種方式，存在以下問題：

• 播放出來(lái)的畫面和聲音會(huì)不連貫，因?yàn)楫?dāng)CPU能力不夠強(qiáng)的時(shí)候， Read 的時(shí)候可能進(jìn)程就等在這了，這樣就會(huì)導(dǎo)致等半天才進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓和播放
• 各個(gè)函數(shù)之間不是并發(fā)執(zhí)行，影響資源的使用效率

那改成多進(jìn)程的方式：

?對(duì)于多進(jìn)程的這種方式，依然會(huì)存在問題：

• 進(jìn)程之間如何通信，共享數(shù)據(jù)？
• 維護(hù)進(jìn)程的系統(tǒng)開銷較大，如創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，分配資源、建立PCB；終止進(jìn)程時(shí)，回收資源、撤銷PCB；進(jìn)程切換時(shí)，保存當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)信息；

那到底如何解決呢？需要有一種新的實(shí)體，滿足以下特性：

• 實(shí)體之間可以并發(fā)運(yùn)行
• 實(shí)體之間共享相同的地址空間

這個(gè)新的實(shí)體，就是線程（Thread），線程之間可以并發(fā)運(yùn)行且共享相同的地址空間。

什么是線程？

線程是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。

同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)多個(gè)線程之間可以共享代碼段、數(shù)據(jù)段、打開的文件等資源，但每個(gè)線程各自都有一套獨(dú)立的寄存器和棧，這樣可以確保線程的控制流是相對(duì)獨(dú)立的。

?線程的優(yōu)缺點(diǎn)？

線程的優(yōu)點(diǎn):

• 一個(gè)進(jìn)程中可以同時(shí)存在多個(gè)線程
• 各個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行
• 各個(gè)線程之間可以共享地址空間和文件等資源

線程的缺點(diǎn)：

• 當(dāng)進(jìn)程中的一個(gè)線程崩潰時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其所屬進(jìn)程的所有線程崩潰（這里針對(duì)C/C++語(yǔ)言）。

舉個(gè)例子，對(duì)于游戲的用戶設(shè)計(jì)，則不應(yīng)該使用多線程的方式，否則一個(gè)用戶掛了，會(huì)影響其他同個(gè)進(jìn)程的線程。

線程和進(jìn)程的比較

線程和進(jìn)程的比較：

• 進(jìn)程是資源（包括內(nèi)存、打開的文件等）分配的單位，線程是CPU調(diào)度的單位
• 進(jìn)程擁有一個(gè)完整的資源平臺(tái)，而線程只獨(dú)享必不可少的資源，如寄存器和棧
• 線程同樣具有就緒、阻塞、執(zhí)行三種基本狀態(tài)，同樣具有狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系
• 線程能減少并發(fā)執(zhí)行的時(shí)間和空間開銷

對(duì)于線程相比進(jìn)程能減少開銷，體現(xiàn)在：

• 線程的創(chuàng)建時(shí)間比進(jìn)程快，因?yàn)檫M(jìn)程在創(chuàng)建的過(guò)程中還需要資源管理信息，比如內(nèi)存管理信息、文件管理信息，而線程在創(chuàng)建的過(guò)程中，不會(huì)設(shè)計(jì)這些資源管理信息，而是共享它們
• 線程的終止時(shí)間比進(jìn)程快，因?yàn)榫€程釋放的資源相比進(jìn)程要小很多
• 同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程切換比進(jìn)程切換快，因?yàn)榫€程具有相同的地址空間（虛擬內(nèi)存空間），這意味著同一個(gè)進(jìn)程的線程都具有同一個(gè)頁(yè)表，那么在切換的時(shí)候就不需要切換頁(yè)表。而對(duì)于進(jìn)程之間的切換，切換的時(shí)候要把頁(yè)表給切換掉，而頁(yè)表的切換過(guò)程開銷是比較大的
• 由于同一進(jìn)程的各線程間共享內(nèi)存和文件資源，那么在線程之間數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)候，就不需要經(jīng)過(guò)內(nèi)核了，這就使得線程之間的數(shù)據(jù)交互效率更高了

所以不管是時(shí)間效率還是空間效率，線程都比進(jìn)程高。

線程的上下文切換

在前面我們知道了進(jìn)程與線程最大的區(qū)別在于：線程是調(diào)度的基本單位，而進(jìn)程則是資源擁有的基本單位

所謂操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，實(shí)際上的調(diào)度對(duì)象是線程，而進(jìn)程只是給線程提供了虛擬內(nèi)存、全局變量等資源。

對(duì)于線程和進(jìn)程，可以理解為：

• 當(dāng)進(jìn)程只有一個(gè)線程時(shí)，可以認(rèn)為進(jìn)程就等于線程
• 當(dāng)進(jìn)程擁有多個(gè)線程時(shí)，這些線程會(huì)共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源，這些資源在上下文切換時(shí)是不需要修改的

另外，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換的時(shí)候也是需要保存的。

線程上下文切換的是什么？

這還得看線程是不是屬于同一個(gè)進(jìn)程：

• 當(dāng)兩個(gè)線程不是屬于同一個(gè)進(jìn)程，則切換的過(guò)程就跟進(jìn)程上下文切換一樣
• 當(dāng)兩個(gè)線程屬于同一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)

所以，線程的上下文切換要比進(jìn)程開銷小很多。

線程的實(shí)現(xiàn)

主要有三種線程的實(shí)現(xiàn)方式：

• 用戶線程：在用戶空間實(shí)現(xiàn)的線程，不是由內(nèi)核管理的線程，是由應(yīng)用層面的線程庫(kù)來(lái)完成線程的管理，對(duì)于用戶線程的存在，內(nèi)核無(wú)法感知。
• 內(nèi)核線程：在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的線程，是由內(nèi)核管理的線程
• 輕量級(jí)進(jìn)程：在內(nèi)核中來(lái)支持用戶的線程

用戶線程和內(nèi)核線程的對(duì)應(yīng)關(guān)系

首先，第一種關(guān)系是多對(duì)一的關(guān)系，也就是多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)同一個(gè)內(nèi)核線程：

?第二種是一對(duì)一的關(guān)系，也就是一個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程：

?第三種是多對(duì)多的關(guān)系，也就是多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)到多個(gè)內(nèi)核線程：

?用戶線程如何理解？存在什么優(yōu)勢(shì)和缺陷？

用戶線程是基于用戶態(tài)的線程管理庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，那么線程控制塊（Thread Control Block, TCB）也是在庫(kù)里面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于操作系統(tǒng)而言是看不到這個(gè)TCB的，內(nèi)核無(wú)法感知用戶級(jí)線程的存在，它只能看到整個(gè)進(jìn)程的PCB?。

所以，用戶線程的整個(gè)線程管理和調(diào)度，操作系統(tǒng)是不直接參與的，而是由用戶級(jí)線程庫(kù)函數(shù)來(lái)完成線程的管理，包括線程的創(chuàng)建、終止、同步和調(diào)度等。

用戶級(jí)線程的模型，也就類似前面提到的多對(duì)一的關(guān)系，即多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)同一個(gè)內(nèi)核線程，如下圖所示：

?用戶線程的優(yōu)點(diǎn)：

• 每個(gè)進(jìn)程都需要有它私有的線程控制塊(TCB)列表，用來(lái)跟蹤記錄它各個(gè)線程狀態(tài)信息（PC、棧指針、寄存器），TCB由用戶級(jí)線程庫(kù)函數(shù)來(lái)維護(hù)，可用于不支持線程技術(shù)的操作系統(tǒng)；
• 用戶線程的切換也是由線程庫(kù)函數(shù)完成的，無(wú)需用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，所以速度特別快；

用戶線程的缺點(diǎn)：

• 由于操作系統(tǒng)不參與線程的調(diào)度，如果一個(gè)線程發(fā)起了系統(tǒng)調(diào)用而阻塞，那進(jìn)程所包含的用戶線程都不能執(zhí)行了，無(wú)法做到真正意義上的并發(fā)
• 當(dāng)一個(gè)線程開始運(yùn)行后，除非它主動(dòng)交出CPU的使用權(quán)，否則它所在的進(jìn)程當(dāng)中的其他線程無(wú)法運(yùn)行，因?yàn)橛脩魬B(tài)的線程沒法打斷當(dāng)前運(yùn)行中的線程，它沒有這個(gè)特權(quán)，只有操作系統(tǒng)才有，但是用戶線程不是由操作系統(tǒng)管理的
• 內(nèi)核資源的分配是根據(jù)進(jìn)程分配的，用戶級(jí)線程所在的進(jìn)程可以競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)的資源，而每個(gè)用戶線程只能競(jìng)爭(zhēng)該進(jìn)程內(nèi)部的資源。對(duì)于一個(gè)進(jìn)程，可能有成千上萬(wàn)個(gè)用戶級(jí)線程，但是它們對(duì)系統(tǒng)的資源沒有影響。

內(nèi)核線程如何理解？存在什么優(yōu)勢(shì)和缺陷？

內(nèi)核線程是由操作系統(tǒng)管理的，線程對(duì)應(yīng)的TCB自然放在操作系統(tǒng)里，這樣線程的創(chuàng)建、終止和管理都是操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

• 內(nèi)核級(jí)線程可以在全系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行資源的競(jìng)爭(zhēng)
• 內(nèi)核空間內(nèi)為每一個(gè)內(nèi)核支持線程設(shè)置了一個(gè)線程控制塊（TCB），內(nèi)核根據(jù)該控制塊，感知線程的存在，并進(jìn)行控制。

內(nèi)核線程的模型，也就是類似前面提到的一對(duì)一的關(guān)系，即一個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程，如下圖所示：

內(nèi)核線程的優(yōu)點(diǎn)：

• 在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，如果某個(gè)內(nèi)核線程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用而被阻塞，并不會(huì)影響其他內(nèi)核線程的運(yùn)行
• 分配給線程，多線程的進(jìn)程獲得更多的CPU運(yùn)行時(shí)間

內(nèi)核線程的缺點(diǎn)：

• 在支持內(nèi)核線程的操作系統(tǒng)中，由內(nèi)核來(lái)維護(hù)進(jìn)程和線程的上下文信息，如PCB和TCB
• 線程的創(chuàng)建、終止和切換都是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方式來(lái)進(jìn)行，因此對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)開銷比較大

?輕量級(jí)進(jìn)程如何理解？

輕量級(jí)進(jìn)程（Light-weight process, LWP）是內(nèi)核支持的用戶線程，一個(gè)進(jìn)程可有一個(gè)或多個(gè)LWP，每個(gè)LWP是跟內(nèi)核線程一對(duì)一映射的，也就是LWP都是由一個(gè)內(nèi)核線程支持的，而且LWP是由內(nèi)核管理并像普通進(jìn)程一樣被調(diào)度。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，LWP與普通進(jìn)程的區(qū)別在于它只有一個(gè)最小的執(zhí)行上下文和調(diào)度程序所需的統(tǒng)計(jì)信息。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)進(jìn)程代表程序的一個(gè)實(shí)例，而LWP代表程序的執(zhí)行線程，因?yàn)橐粋€(gè)執(zhí)行線程不像進(jìn)程那樣需要那么多的狀態(tài)信息，所以LWP也不帶有這樣的信息。

在LWP之上也是可以使用用戶線程的，那么LWP與用戶線程的對(duì)應(yīng)關(guān)系就有三種：

• ?1 : 1 ，即一個(gè)LWP對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶線程
• ?N : 1，即一個(gè)LWP對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶線程
• ?M : N，即多個(gè)LWP對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶線程

? 1 : 1 模式

一個(gè)線程對(duì)應(yīng)到一個(gè)LWP再對(duì)應(yīng)到一個(gè)內(nèi)核線程，如圖的進(jìn)程 4 ，屬于此模型

• 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)并行，當(dāng)一個(gè)LWP阻塞，不會(huì)影響其他LWP
• 缺點(diǎn)：每一個(gè)用戶線程，就產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)核線程，創(chuàng)建線程的開銷較大。

?N : 1 模式

多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)LWP再對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程，如上圖的進(jìn)程 2 ，線程管理是在用戶空間完成的，此模式中用戶的線程對(duì)操作系統(tǒng)不可見

• 優(yōu)點(diǎn)：用戶線程要開幾個(gè)都沒問題，且上下文切換發(fā)生在用戶空間，切換的效率較高
• 缺點(diǎn)：一個(gè)用戶線程如果阻塞了，則整個(gè)進(jìn)程都將會(huì)阻塞，另外在多核CPU中，沒辦法充分利用CPU

?M : N 模式

該模式提供了兩級(jí)控制，首先多個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)多個(gè)LWP，LWP再 一一對(duì)應(yīng)到內(nèi)核線程，如上圖的進(jìn)程 3 。

• 優(yōu)點(diǎn)：綜合了前兩種的優(yōu)點(diǎn)，大部分的線程上下文發(fā)生在用戶空間，且多個(gè)線程又可以充分利用多核CPU資源

組合模式

如上圖的進(jìn)程 5，此進(jìn)程結(jié)合?1:1?模型和?M:N?模型。開發(fā)人員可以針對(duì)不同的應(yīng)用特點(diǎn)調(diào)節(jié)內(nèi)核線程的數(shù)目來(lái)達(dá)到物理并行性和邏輯并行性的最佳方案。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-632383.html

到了這里，關(guān)于（學(xué)習(xí)筆記-進(jìn)程管理）線程的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！