3 线程 | 远方的岛

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3.1 线程的引入

多个进程协作完成任务，需要进程间进行频繁通信，进程间通信本质是系统调用，需要较多的时间和CPU资源开销，包括：CPU寄存器的保存和加载，内核调度代码的执行等，进程的切换也需要较大的系统开销

一个进程可以有可以并行处理的程序段

进程具有如下两个特点：

资源所有权：

存放进程映像的虚拟地址空间
资源（内存、I/O通道、I/O设备、文件等）的控制权或所有权
预防进程间发生资源冲突的保护功能

调度/执行:

不同进程的执行过程会交替进行
进程具有执行态（运行、就绪）和分配给它的优先级
是可被调度和分派的实体

在多线程环境下，进程是资源分配单元和保护单元：

容纳进程映像的虚拟地址空间
对处理器、其它进程、文件和I/O资源的受保护访问

每个线程都有:

执行状态（运行、就绪）
线程上下文
用于局部变量的静态存储空间
与进程内其它线程共享的内存和资源访问

多线程的优点：

响应度高：交互程序采用多线程，即使部分阻塞，其他部分仍能够执行；

资源共享：线程默认共享他们所属进程的所有资源

经济快捷： 1）多进程比多线程消耗资源更多；2）线程创建快，终止快，切换快

方便多CPU处理：线程由用户（程序员）编写，能够充分考虑任务的有效分离（多序列），同时执行序列隶属于同一个进程的地址空间，仍然可以充分利用多CPU处理

举例：一个网页浏览器

4个线程：从服务器接收数据、显示文本、处理图片（如解压缩）、显示图片

同一个服务器建立连接并接收数据，一次请求所有文本、图片，都显示在一页中

使用子进程 + IPC（进程间通信）开销较大、控制过程繁琐

每个进程必须有一个完整的映像（内储空间）

大量的重复存储：库函数、复用的过程、全局变量等

主进程协调子进程工作：只有通过频繁的IPC过程完成

子进程之间调度切换代价大：现场、栈、内存（页表）

3.2 线程的功能

线程的状态：运行态、就绪态、阻塞态

与线程状态改变相关的基本操作：派生、阻塞、解除阻塞、结束

线程间的同步问题变得尤为重要

3.3 线程分类

线程都是由用户程序创建的

用户层的用户级线程：受内核支持，但不需内核管理

操作系统完全不“感知”线程的存在，仍然以进程为管理和调度单位，线程的管理与调度完全由用户级程序来完成（当然也可能由编程语言提供用户级的库函数支持，即线程库）

用户级线程的优点：不需要切换到内核模式，可以为应用程序量身定做调度算法，可在任何操作系统中运行

用户级线程的缺点：系统调用会阻塞进程中的所有线程、不能利用多处理器

内核层的内核级线程：由操作系统直接支持和管理

操作系统可以创建对应的数据结构对这些线程直接进行管理，并以线程为调度单位

混合方法

线程的创建在用户空间中完成

线程的调度和同步也在应用程序中进行

一个进程的多个用户级线程会被映射到一些内核级线程上

同一应用程序的多个线程可以在多个处理器上并行运行

会引起系统阻塞的系统调用不会阻塞整个进程

课堂练习

如果某个用户线程执行了阻塞性系统调用，那么由于这些调用发生在内核态，内核看到的是一个线程（整个进程）阻塞。