线程概念简介 什么是线程 多线程上篇

Posted 2021-02-08 noteless

 操作系统为了程序的并发执行引入了进程的概念，提高了资源的利用率以及吞吐量。

在20世纪 60年代人们提出了进程的概念后，在OS中一直都是以进程作为能拥有资源和独立运行的基本单位的。

直到 20 世纪 80 年代中期，人们又提出了比进程更小的能独立运行的基本单位——线程(Threads)

试图用它来提高系统内程序并发执行的程度，从而可进一步提高系统的吞吐量。

简言之，进程的概念，使之能够并发执行多道程序，线程的概念让你更好地并发执行程序，一个是能不能的问题，一个是更好的问题。

线程与进程对比

线程概念的发展

进程概念提出的目的就是为了多道程序并发执行，并发过程中必然意味着不断地进程调度任务切换，但是他又是资源分配的独立单位，也就是说他要背着资源来回跑。

举个例子：

办公室内，每个人都有一台电脑，电脑就是资源

然后大家经常需要不断地变换座位位置（比如大家都是哪里需要去哪里，客服缺人了，销售就顶一个过去）

每个人都抱着自己的电脑来回的换位置方便？还是大家只是人员走动，电脑就使用那个位置的电脑方便？

进程也是有些类似的道理，你带着这么多资源来回切换调度，必然会带来更多的时&&空开销。

所以创建了线程的概念，程序运行时所需的资源和程序的调度进行解耦

进程仍旧负责资源的独立分配，但是线程作为调度运行的独立单位，仅仅携带自身运行的必备的一丁点资源。

对比

线程具有许多传统进程所具有的特征，所以又称为轻型进程(Light-Weight Process)或进程元

相应地把传统进程称为重型进程(Heavy-Weight Process)，传统进程相当于只有一个线程的任务。

在引入了线程的操作系统中，通常一个进程都拥有若干个线程，至少也有一个线程。

并发性

传统的OS系统，进程之间可以并发执行，引入线程概念的OS，不仅仅进程间可以并发执行，一个进程中的线程也可以并发执行，不同进程中的线程也可以并发执行

独立性

同一进程中的多个线程独立性比不同进程间的独立性差很多。

每个进程都是独立的地址空间和资源，同一进程下多线程他们共享进程下的资源，而且通常他们往往是用来相互合作的，每个线程都可以访问所在进程的所有地址空间，比如一个线程打开的文件，可以被其他线程读写。

调度性

传统OS，进程作为资源分配和调度分派的基本单位，进程是可以独立运行的基本单位，不过进程调度切换时空开销大

引入线程的OS，线程是运行调度和分派的基本单位，线程才是独立运行的基本单位，线程切换时，仅仅需要保存和设置少量寄存器内容，代价远远小于进程切换，不过需要注意是同一个进程内线程切换不会进程切换，但是不同进程中的线程进程切换，仍旧会导致进程切换。

拥有资源

进程拥有资源，并且作为系统中拥有资源的独立基本单位。

线程自身不拥有系统资源，仅仅拥有一点必不可少的，独立运行需要的资源，比如线程中的TCB。

除了自身的丁点儿资源外，共享所属进程的资源，同一个进程下所有线程，拥有相同的地址空间。

多处理器支持

传统进程（或者说单线程进程）只能运行于一个处理机上，不管有多少个处理机；

但是对于多线程进程，就可以将一个进程中的多个线程分配到多个处理机上，并行运行

简言之，多线程可以让多核CPU充分发挥性能并行运行。

系统开销

进程和线程的创建撤销，系统都要为止分配和回收资源，比如内存空间、IO设备等，进程和线程的上下文切换，系统也都需要付出一定的时空开销。

但是，线程相关的开销明显小于进程。

线程简介

各线程之间也是存在资源共享和相互合作的，线程在运行时也是间断的，轮转切换的。

线程也是有运行状态的，这一点与进程并没有本质区别，最主要的状态也是就绪、执行、阻塞

进程的控制核心信息保存在PCB中，线程也有对应的组成---TCB，所有用于控制和管理线程的信息都保存在TCB中

 

 

线程尽管是另外一种完全不同的事物，但是毕竟是从进程的概念演化而来，也是操作系统对程序运行抽象的一部分，所以，线程必然与进程有着很多的相似点

线程实现

线程的实现主要有三种形式

• 内核支持
• 用户级线程
• 另外就是二者的组合

 

从上面的分析中可以看得出来，内核支持和用户级都有各自明显的缺点和优点。

有些操作系统把用户级线程和内核支持线程两种方式进行组合，提供了组合方式ULT/KST 线程。

在组合方式线程系统中， 内核支持多KST线程的建立、调度和管理，同时，也允许用户应用程序建立、调度和管理用户级线程。

一些内核支持线程对应多个用户级线程，程序员可按应用需要和机器配置对内核支持线程数目进行调整，以达到较好的效果。

组合方式线程中，同一个进程内的多个线程可以同时在多处理器上并行执行，而且在阻塞一个线程时，并不需要将整个进程阻塞。

所以，组合方式多线程机制能够结合 KST和 ULT两者的优点，并克服了其各自的不足。 

线程的同步与通信

关于进程的同步与通信的相关逻辑原理，对于进程的同步与通信绝大多数都是适用的。

针对于这些原理，多线程OS也提供了多种同步机制，如互斥锁、条件变量、计数信号量以及多读、单写锁等。

信号量机制

进程中的信号量机制完全适合多线程同步

根据用法分为两种

• 私用信号量(private samephore)
• 公用信号量(public semaphort)

系统运行中，有多个进程，进程中又有多个线程。

如果是为了同一进程中多个线程同步设置的信号量，量属于特定的进程所有，这就叫做私用，OS并不知道私用信号量的存在。

如果是为了不同进程或者不同进程中的线程之间而设置的，就叫做公用。其数据结构是存放在受保护的系统存储区中，由OS为它分配空间并进行管理，故也称为系统信号量。

互斥锁(mutex)

互斥锁是一种比较简单的、用于实现线程间对资源互斥访问的机制

互斥锁可以有两种状态

• 开锁(unlock)
• 关锁(lock)

当一个线程需要读/写一个共享数据段时，需要对mutex进行上锁，离开时需要解锁。

上锁时，首先校验 mutex 的状态，如果它已处于关锁状态，则试图访问该数据段的线程将被阻塞；如果 mutex处于开锁状态，则将 mutex 上锁后便去读/写该数据段。

线程完成操作后，必须将 mutex 解锁，同时还需要将阻塞在该互斥锁上的一个线程唤醒，其它的线程仍被阻塞在等待mutex打开的队列上。

另外，为了减少线程被阻塞的机会，在有的系统中还提供了一种用于 mutex 上的操作命令 Trylock。

顾名思义，并不会因为无法进入而阻塞，若 mutex 处于上锁状态，则 Trylock 并不会阻塞该线程，而只是返回一个指示操作失败的状态码。

条件变量

在许多情况下，只利用 mutex 来实现互斥访问可能会引起死锁，比如A线程请求资源顺序为R1，R2，B线程请求资源顺序为R2，R1

如果A对mutex 1上锁成功进入临界区后，需要获取R2的锁mutex 2，可是此时B获得了资源R2，对mutex 2已经上锁，此时，A等待mutex 2 B等待mutex 1，形成了死锁

所以说，锁，应该是仅仅用于在条件成立时进行操作时的一个同步保障，而不能在整个过程中都依靠锁

可以借助于条件变量，就是条件

每一个条件变量通常都与一个互斥锁一起使用，单纯的互斥锁用于短期锁定，主要是用来保证对临界区的互斥进入。

而条件变量则用于线程的长期等待，直至所等待的资源成为可用的资源。

申请

Lock mutex                  

while (条件状态不满足) {

        wait(condition variable)；//释放锁，线程挂起等待，直到条件满足通知；

}

临界区其他操作

unlock mutex; 

释放

Lock mutex

一些操作

unlock mutex；

wakeup(condition variable)；

简言之，借助于条件变量用于控制长时间的等待，锁用于控制对资源的同步。

总结

本文对线程进行了非常简单的介绍，线程之于进程在很多的方面有着极其类似的逻辑，尤其是从调度的视角看。

毕竟线程就是对进程中关于调度部分的独立抽象。

只要能够理解进程和线程的目的就能够很好地理解他们相似的原因，因为都是操作系统对于程序运行的抽象描述，线程是进程的更加细粒度的掌控。

在换句话说就是操作系统的角度对程序的执行抽象为：“资源的分配”“调度”

最初这两个概念都是加诸于进程这个概念上，后续为了更加高效将两个概念进行了拆分，就是这样

所以说，对于原先介绍的进程的相关概念中关于调度部分的绝大多数理论，都是适用于线程概念的

原文地址:线程概念简介 什么是线程 多线程上篇（七）