线程的前世今生

Posted 2021-03-09 mougg

进程

早期的计算机只有一个单核CPU，操作系统把进程作为CPU调度单元。进程拥有独立的内存地址空间，那时候还没有线程的概念。
进程有3个状态，分别是阻塞、就绪、运行。当进程所需资源未到位时是阻塞状态，当进程拥有资源但未被CPU调度是就绪状态，当进程用有资源并且被CPU调度了就是运行状态。

用户态线程

随着程序越来越复杂，调度产生的上下文切换也越发昂贵，于是程序员寻思能不能在同一地址空间(Address Space)下，执行多个进程。但操作系统内核出于保护目的，禁止一个进程直接访问另一个进程的地址空间。
既然操作系统不支持，程序员决定在用户空间下维护一张线程表，实现可以自行调度的“进程”，这就是用户态线程，现在一般叫做纤程或协程。
用户态线程的优势有：

1. 在用户空间下进行线程切换的速度远快于在操作系统内核中的实现
2. 程序员可以自行实现垃圾回收器来回收线程
3. 当线程数量过多时，由于在用户空间维护线程表，不会占用大量的操作系统空间

用户态线程的劣势有：

1. 由于操作系统不知道线程的存在，因此当一个进程中的某一个线程进行系统调用时，比如缺页中断而导致线程阻塞，此时操作系统会阻塞整个进程，即使这个进程中其它线程还在工作
2. 假如进程中一个线程长时间不释放CPU，因为用户空间并没有时钟中断机制，会导致此进程中的其它线程得不到CPU而持续等待

内核态线程

伴随多核CPU的出现，操作系统也开始支持线程了。内核空间维护了一张线程表，线程由内核调度，这就是内核态线程，也称作轻量进程(Light Weight Process,LWP)。今天说的线程，如非指定，都是内核线程。
内核态线程的优势有：

1. 当一个线程阻塞时，操作系统可以选择将CPU交给同一进程中的其它线程，或是其它进程中的线程，而对于用户态线程的调度只能在本进程中执行，直到操作系统剥夺了当前进程的CPU
   内核态线程的劣势有：
2. 所有可能阻塞线程的调用都是 System Call，相比在用户空间下造成线程阻塞的 System runtime call，成本高出不少
3. 创建和销毁的成本更高。为了降低成本，当一个线程需要销毁时，仅作标记销毁；当需要新建一个线程时，就复用被标记销毁的线程即可
4. 接收系统信号的单位是进程，而不是线程，那么由进程中的哪一个线程接收系统信号呢

逻辑核心

“单核CPU 在同一时间内只能够运行一个进程”，在过去很长一段时间是对的，直至同时多线程(SMT)的出现。超标量处理器（1个CPU物理核心）可以同时跑超过一个线程，例如 Intel 的 hyperthreading 支持一个物理核心跑两个线程。讲几核的 CPU的核心数一般指物理核心数，如果是指逻辑核心数一般直接会说线程数，几个逻辑核心就同时支持几套架构状态和几个线程。

“单进程多线程可以同时用到 CPU的双核心”，在主流操作系统上没问题。对操作系统内核而言，直接可见的CPU资源是逻辑核心，可以调度的任务一般直接实现成 CPU支持的线程，所以 单核CPU 可以同时跑多个任务。
不同操作系统中任务的概念不一样：

• Windows 调度的是线程，进程只是线程的容器
• Linux内核 不区分进程或者线程，调度的任务在用户空间可以被实现成一个进程或进程中的线程。

参考

• 操作系统中的进程与线程
• 多线程可以同时使用 CPU 的多个核心？