操作系统线程知识总结

线程

对于多进程的这种方式，依然会存在问题：

• 进程之间如何通信，共享数据？
• 维护进程的系统开销较大，如创建进程时，分配资源、建立 PCB；终止进程时，回收资源、撤销 PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息；

那到底如何解决呢？需要有一种新的实体，满足以下特性：

• 实体之间可以并发运行；
• 实体之间共享相同的地址空间；

这个新的实体，就是线程( Thread )，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。

什么是线程？

线程是进程当中的一条执行流程。

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程都有独立一套的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程的优点：

• 一个进程中可以同时存在多个线程；
• 各个线程之间可以并发执行；
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；

线程的缺点：

• 当进程中的一个线程奔溃时，会导致其所属进程的所有线程奔溃。

线程与进程的比较如下：

• 进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；
• 进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
• 线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
• 线程能减少并发执行的时间和空间开销；

对于，线程相比进程能减少开销，体现在：

• 线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；
• 线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；
• 同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的；
• 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；

所以，线程比进程不管是时间效率，还是空间效率都要高。

对于线程和进程，我们可以这么理解：

• 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程；
• 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的；

另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

这还得看线程是不是属于同一个进程：

• 当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
• 当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

所以，线程的上下文切换相比进程，开销要小很多。

用户级线程和内核级线程

用户级线程模型

多个用户线程对应同一个内核线程

用户线程的调度是基于用户空间的线程函数库来实现的，用函数库来实现线程。

把创建线程、终止线程等功能放在了这个线程库内，用户就可以通过调用这些函数来实现所需要的功能。线程库，是位于用户空间的，操作系统内核对这个库一无所知，所以从内核的角度看，它还是按正常的方式管理。

线程控制块（_Thread Control Block, TCB_） 也是在库里面来实现的，对于操作系统而言是看不到这个 TCB 的，它只能看到整个进程的 PCB。所以，用户线程的整个线程管理和调度，操作系统是不直接参与的，而是由用户级线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等。

用户级线程的一个缺点，这些线程只能占用一个核，所以做不到并行加速，而且由于用户线程的透明性，操作系统是不能主动切换线程的，换句话讲，如果 A，B 是同一个进程的两个线程的话， A 正在运行的时候，线程 B 想要运行的话，只能等待 A 主动放弃CPU，也就是主动调用 pthread_yield函数。”

注：对操作系统来说，用户级线程具有不可见性，也称透明性。

用户级线程做不到像进程那样的轮转调度，虽然不能做到轮转调度，但用户级线程也有自己的好处——可以为应用程序定制调度算法，毕竟什么时候退出线程你自己说了算。

在操作系统眼里，进程阻塞了，那么整个进程就会进入阻塞态，在阻塞操作结束前，这个进程都无法得到 CPU 资源。那就相当于，所有的线程都被阻塞了。”小白得意的回答。

用户级线程模型的优缺点

用户线程的优点：

• 每个进程都需要有它私有的线程控制块（TCB）列表，用来跟踪记录它各个线程状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB 由用户级线程库函数来维护，可用于不支持线程技术的操作系统；
• 用户线程的切换也是由线程库函数来完成的，无需用户态与内核态的切换，所以速度特别快；

用户线程的缺点：

• 由于操作系统不参与线程的调度，如果一个线程发起了系统调用而阻塞，那进程所包含的用户线程都不能执行了。
• 当一个线程开始运行后，除非它主动地交出 CPU 的使用权，否则它所在的进程当中的其他线程无法运行，因为用户态的线程没法打断当前运行中的线程，它没有这个特权，只有操作系统才有，但是用户线程不是由操作系统管理的。
• 由于时间片分配给进程，故与其他进程比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会比较慢；

内核级线程模型

一个用户线程对应一个内核线程

许多操作系统都已经支持内核级线程了。为了实现线程，内核里就需要有用来记录系统里所有线程的线程表。当需要创建一个新线程的时候，就需要进行一个系统调用，然后由操作系统进行线程表的更新。

操作系统内核如果知道线程的存在，就可以像调度多个进程一样，把这些线程放在好几个 CPU 核心上，就能做到实际上的并行了。

如果线程可见，那么假如线程 A 阻塞了，与他同属一个进程的线程也不会被阻塞。这是内核级线程的绝对优势。

缺点是，让操作系统进行线程调度，那意味着每次切换线程，就需要「陷入」内核态，而操作系统从用户态到内核态的转变是有开销的，所以说内核级线程切换的代价要比用户级线程大。还有很重要的一点——线程表是存放在操作系统固定的表格空间或者堆栈空间里，所以内核级线程的数量是有限的，扩展性比不上用户级线程。”

内核级线程模型的优缺点

内核线程的优点：

• 在一个进程当中，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 运行时间；

内核线程的缺点：

• 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来进行，因此对于系统来说，系统开销比较大；

轻量级线程模型

轻量级进程（_Light-weight process，LWP_）是内核支持的用户线程，一个进程可有一个或多个 LWP，每个 LWP 是跟内核线程一对一映射的，也就是 LWP 都是由一个内核线程支持。

另外，LWP 只能由内核管理并像普通进程一样被调度，Linux 内核是支持 LWP 的典型例子。

在大多数系统中，LWP与普通进程的区别也在于它只有一个最小的执行上下文和调度程序所需的统计信息。一般来说，一个进程代表程序的一个实例，而 LWP 代表程序的执行线程，因为一个执行线程不像进程那样需要那么多状态信息，所以 LWP 也不带有这样的信息。

在 LWP 之上也是可以使用用户线程的，那么 LWP 与用户线程的对应关系就有三种：

• 1 : 1，即一个 LWP 对应 一个用户线程；
• N : 1，即一个 LWP 对应多个用户线程；
• N : N，即多个 LMP 对应多个用户线程；

接下来针对上面这三种对应关系说明它们优缺点。先下图的 LWP 模型：

LWP 模型

1 : 1 模式

一个线程对应到一个 LWP 再对应到一个内核线程，如上图的进程 4，属于此模型。

• 优点：实现并行，当一个 LWP 阻塞，不会影响其他 LWP；
• 缺点：每一个用户线程，就产生一个内核线程，创建线程的开销较大。

N : 1 模式

多个用户线程对应一个 LWP 再对应一个内核线程，如上图的进程 2，线程管理是在用户空间完成的，此模式中用户的线程对操作系统不可见。

• 优点：用户线程要开几个都没问题，且上下文切换发生用户空间，切换的效率较高；
• 缺点：一个用户线程如果阻塞了，则整个进程都将会阻塞，另外在多核 CPU  中，是没办法充分利用 CPU 的。

M : N 模式

根据前面的两个模型混搭一起，就形成 M:N 模型，该模型提供了两级控制，首先多个用户线程对应到多个 LWP，LWP 再一一对应到内核线程，如上图的进程 3。

• 优点：综合了前两种优点，大部分的线程上下文发生在用户空间，且多个线程又可以充分利用多核 CPU 的资源。

参考文章

https://mp.weixin.qq.com/s/wn...
https://juejin.im/post/684490...