操作系统-线程管理

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摘要

1. 线程的概念
2. 线程和进程的比较
3. 线程的上下文切换
4. 线程的实现方式

线程的概念

线程是计算机操作系统的最小调度资源，同一个进程内多个线程可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但是每个线程都有一套独立的寄存器和栈，这样可以保证线程的控制流是独立的。

线程和进程的比较

线程的优缺点

优点：

• 一个进程中可以有多个线程
• 各个线程之间可以并发运行
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件资源

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

线程和进程的区别

• 进程时资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程时CPU调度的单位
• 进程拥有一个完整的资源平台，线程只独享必不可少的资源，比如寄存器和栈
• 线程和进程一样同样具有就绪、阻塞、运行三种基本状态
• 线程能减少并发执行时间和空间开销

为什么线程可以减少开销？

• 线程创建时间比进程快，线程在创建的过程中不涉及内存、文件等的申请和打开，因为一个进程的所有线程共享一块内存和文件资源
• 线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源要比进程少
• 线程的切换比进程快，因为同一个进程多个线程共享内存，因此不需要进行页表的切换，但是对于进程，需要页表切换，页表的切换开销相对较大
• 统一进程的所有线程共享内存和文件资源，因此在线程之间传递数据时，不需要经过内核，数据交互效率变高

线程的上下文切换

线程在切换时，只需要切换线程私有数据、寄存器等不共享的数据。

线程的实现方式

线程实现方式

• 用户线程：在用户空间实现的线程，不是由内核管理的线程，是由用户态的线程库来完成线程的管理
• 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：在内核中支持用户线程

用户线程和内核线程的对应关系

• 多对一：多个用户线程对应同一个内核线程
• 一对一：一个用户线程对应一个内核线程
• 多对多：多个用线程对应到多个内核线程

用户线程

用户线程基于用户的线程库来管理实现，线程控制块（TCB）也在用户的库中实现，操作系统是无法知道TCB的存在的。

用户线程的调度和管理，操作系统无法直接参与，都是需要用户自己实现。

用户线程的优缺点

优点：

• 每个进程都需要有私有的TCB列表，用来跟踪记录各个线程的状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB由用户自己实现，可用于不支持线程技术的操作系统
• 用户线程的切换也是用户自己实现，无需用户态和内核态的切换，所以速度较快

缺点：

• 由于操作系统不参与线程的调度，如果一个线程因发起系统调用阻塞，那么该进程包含的所有线程都无法执行
• 线程在开始运行后，除非主动让出CPU，否则其他线程无法执行，因为用户态的线程无法打断当前运行中的线程，这种打断特权只有操作系统具备，但用户线程不受操作系统管理
• 在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行较慢，因为时间片的划分是以进程为单位

内核线程

内核线程是由操作系统管理，线程的TCB也是存放在操作系统中。

内核线程的优缺点

优点：

• 在一个进程中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并不会影响其他内核线程的运行
• 分配给线程，多线程的进程获得更多的CPU执行时间

缺点：

• 在支持内核线程的操作系统中，由内核来维护进程和线程的上下文信息，如PCB和TCB
• 线程的创建、终止和切换都是通过系统调用的方式进行，系统开销较大

轻量级进程

轻量级进程（LWP）是由内核支持的用户线程，一个进程可以有一个多个LWP，每个LWP跟内核线程一一对应。

在轻量级进程之上也是可以使用用户线程的，LWP与用户线程额对应关系有以下三种：

• 1:1，一个LWP对应一个用户线程
• N:1，一个LWP对应多个用户线程
• M:N，多个LWP对应多个用户线程

1:1模式

优点：实现并行，当一个LWP阻塞时，不会影响其他LWP

缺点：每一个用户线程，就会产生一个内核线程，创建线程的开销过大

N:1模式

优点：用户线程多开影响较小，上下文切换发生在用户空间，切换的效率高

缺点：一个用户线程如果阻塞，整个进程都会阻塞，如果是在多核CPU中，无法充分利用CPU

M:N模式

将1:1和N:1的模式进行混搭，首先用户线程对应到多个LWP，LWP再一一对应到内核线程。

优点：结合了前两种模式的优点，并且大部分的线程上下文切换发生在用户空间，且多个线程又可以充分利用CPU的资源。