线程概念和多线程模型

线程概念

什么是线程？为什么要引入线程？

有的进程可能需要同时做很多事情。

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。

引入线程后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如 QQ视频、文字聊天，传文件等等）

引入线程后，进程 只作为 除 CPU 之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）；而 线程 则作为 处理机的分配单元。

线程的属性

线程的实现方式

用户级线程 User Level Thread

用户级线程（User-Level Thread，ULT）

通过程序员实现的线程库来实现多线程。

int main() {
    int i = 0;
    while (true) {
        if (i == 0) { 处理视频聊天的代码; }
        if (i == 1) { 处理文字聊天的代码; }
        if (i == 2) { 处理文件传输的代码; }
        i = (i + 1) % 3;   // i 的值为 0、1、2、0、1、2...
    }
}

1. 线程的管理工作由谁负责？

用户级线程由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）

1. 线程切换是否需要 CPU 变态？

用户级线程中，线程切换可以在用户态下完成，无需操作系统的干涉

1. 操作系统是否能意识到用户级线程的存在？

在用户看来，是有多个线程，但是操作系统内核看来，是意识不到线程的存在。“用户级线程”就是“从用户视角能看到的线程”

1. 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？

• 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：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

内核级线程

内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT）又称内核支持的线程。

1. 线程的管理工作由谁负责？

内核级线程的管理工作 由 操作系统内核 完成

1. 线程切换是否需要 CPU 变态？

线程调度、切换等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

1. 操作系统是否能意识到内核级线程的存在？

操作系统会为每个内核级线程建立相应的 TCB（Thread Control Block，线程控制块），通过 TCB 对线程进行管理。“内核级线程”就是“从操作系统内核视角能看到的线程”

1. 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？

• 优点：当一个用户级线程被阻塞后，其他线程还可以继续执行，并发度高。多个线程可在多核处理机上并行运行
• 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，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大

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，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程”问题。

一对一模型

一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

• 优点：当一个用户级线程被阻塞后，其他线程还可以继续执行，并发度高。多个线程可在多核处理机上 并行 运行
• 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，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大

多对一模型

多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程

• 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：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

重点：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分配的单位

多对多模型

多对多模型：n 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（一个阻塞全体阻塞），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。

理解：

• 用户级线程是“代码逻辑”的载体
• 内核级线程是“运行机会”的载体（内核级线程才是处理机分配的单位）

一段“逻辑代码”只有获得了“运行机会”才能被 CPU 执行。

内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞。