线程与多线程模型

引入线程:

有时候进程可能需要同时做很多事,而传统的进程只能串行的执行一系列程序。为此引入线程,来增加并发度。

线程的定义

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,进程内的各个线程之间也可以并发。从而进一步提升了系统资源的并发度。使得一个进程可以并发的处理各种任务。 在引入线程后,进程只是资源分配的基本单元。

引入线程机制后,发生了什么变化?

资源分配调度的变化

  • 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。

并发性的变化

  • 传统进程机制中,只能进程间并发
  • 引入线程后,各个线程之间也能并发,提升了并发度
    系统开销
  • 传统的进程并发需要切换进程的运行环境,系统开销较大
  • 线程间的并发,如果是同一进程之间进行的线程切换,开销较小
  • 引入线程后,并发所带来的系统开销减小。

线程有哪些重要的属性

  • 线程是CPU调度的基本单位
  • 多个CPU的计算机中,各个线程占用不同的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
  • 线程几乎不具有系统资源
  • 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
  • 切换同一进程的线程,系统开销很小
  • 切换进程系统开销较大
  • 同一进程间的线程切换不会引起进程间的切换;切换不同进程间的线程,进程是需要进行切换的。

线程的实现方式

用户级线程

用户级线程由应用程序通过线程库来实现。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。

内核级线程

内核级线程的管理工作是由操作系统内核完成的。线程调度。切换工作都是由内核负责,因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

用户级的线程时在用户角度下能看见的线程;而内核级线程就是从操作系统视角看到的线程。

多线程模型

一对一模型

一个用户进程对应一个内核进程。每个用户有与内核进程相同数量的用户进程。
优点:当一个线程被阻塞后,另外的线程还可以继续执行,并发性强。多线程可在多核处理机上并发执行
缺点:一个用户线程会占用多个内核级线程,线程切换是需要将用户态转换为核心态,因此线程管理得成本高,开销大。

多对一模型

多对一模型:多个用户级线程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:当一个用户线程阻塞后,整个进程就会都阻塞,并发度不高。多个线程不可在多喝处理机上并行运行。

多对多模型

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m个内核级线程。
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。

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