什么是线程
引入进程之前:系统中各个程序只能串行执行
引入进程之后:进程是程序的一次执行。但有的功能显然不能是由一个程序顺序处理就能实现
显然,QQ无法做到同时视频、聊天和传文件
故有的进程可能需要“同时”做很多事情,而传统的进程只能串行执行一系列程序。
因此,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,线程成了程序执行流的最小单位
- 可以把线程理解为“轻量级的进程”
- ⭐线程:是一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单元
- 引入线程后不仅是进程间可以并发,进程内的各个线程也可以并发执行,进一步提高了系统的并发度
- 引入线程后,**进程**只作为除了CPU之外的系统资源的分配单位(如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)
引入线程后的变化
- 带来的变化:
- 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,进程各个线程之间也可以并发
- 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,如果是同一个进程内的线程切换,则不需要切换进程环境,系统开销很小
- 引入线程后,并发所带来的系统开销减小
- 资源分配、调度
线程的属性
- ⭐线程是处理机调度的单位
- 多CPU计算机中,各个线程客占用不同的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之间共享进程的资源
- 由于共享内存地址空间,同一进程的线程间通信甚至无需系统干预
- 同一进程的线程切换,不会引起进程的切换
- 不同进程的线程切换,会引起进程的切换
- 切换同一进程的线程,系统开销很小
- 切换进程,所需的系统开销很大
⭐线程的实现方式
- 线程的实现方式:
- 用户级线程:有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,线程切换在在用户态就可以完成,无需操作系统干预
在用户看来,有多个线程,但在操作系统内核看来 ,意识不到线程的存在
所以,用户级线程可以理解为“从用户的视角可以看到的线程”
- 内核级线程: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
所以,内核级线程可以理解为“从操作系统内核的视角可以看到的线程”
- 二者组合的方式:在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中,将n个用户级线程映射到m个内核级线程上(n>=m)
⭐⭐⭐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调度的单位例如:下边模型中,该进程有两个内核级线程,三个用户级线程,在用户看来,这个进程有 三个线程,但即使该进程运行在一个4核CPU的计算机上,也最多只能被分配两个核,因为在操作系统视角看来,该进程只有两个线程,所以,最多只能由两个用户级线程并行执行,而不是三个
- 用户级线程:有应用程序通过线程库实现。
⭐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,将几个用户级线程映射到几个内核级线程上的问题,引出了“多线程模型”的问题:
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多对一模型:多个用户级线程映射到一个内核级线程上,每个用户级线程对应同一个内核级线程
- 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:当一个用户线程被阻塞后,整个进程都会被阻塞,并发度不高。又因为只有一个内核级线程,所以多个线程不可以在多核CPU上并行运行
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一对一模型:一个用户级线程映射到一个内核级线程上,每个用户进程有与用户级线程相同数量的内核级线程
- 优点:当一个用户线程被阻塞后,别的线程还可以继续执行,并发度高。多线程可以在多核CPU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,所以需要切换到内核态,因此线程管理的开销大
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多对多模型:将n个用户级线程映射到m个内核级线程上(n>=m),每个用户进程对应m个内核级线程。
⭐优点:克服了一对一模型并发度不高的缺点,又克服了一对多模型中一个用户进程占用太多内核级线程所导致的开销太大的问题