線程概念簡介 什麼是線程 多線程上篇（七）

  操做系統爲了程序的併發執行引入了進程的概念，提升了資源的利用率以及吞吐量。

在20世紀 60年代人們提出了進程的概念後，在OS中一直都是以進程做爲能擁有資源和獨立運行的基本單位的。

直到 20 世紀 80 年代中期，人們又提出了比進程更小的能獨立運行的基本單位——線程(Threads)

試圖用它來提升系統內程序併發執行的程度，從而可進一步提升系統的吞吐量。

簡言之，進程的概念，使之可以併發執行多道程序，線程的概念讓你更好地併發執行程序，一個是能不能的問題，一個是更好的問題。

線程與進程對比

線程概念的發展

進程概念提出的目的就是爲了多道程序併發執行，併發過程當中必然意味着不斷地進程調度任務切換，可是他又是資源分配的獨立單位，也就是說他要揹着資源來回跑。

舉個例子：

辦公室內，每一個人都有一臺電腦，電腦就是資源

而後你們常常須要不斷地變換座位位置（好比你們都是哪裏須要去哪裏，客服缺人了，銷售就頂一個過去）

每一個人都抱着本身的電腦來回的換位置方便？仍是你們只是人員走動，電腦就使用那個位置的電腦方便？

進程也是有些相似的道理，你帶着這麼多資源來回切換調度，必然會帶來更多的時&&空開銷。

因此建立了線程的概念，程序運行時所需的資源和程序的調度進行解耦

進程仍舊負責資源的獨立分配，可是線程做爲調度運行的獨立單位，僅僅攜帶自身運行的必備的一丁點資源。

對比

線程具備許多傳統進程所具備的特徵，因此又稱爲輕型進程(Light-Weight Process)或進程元

相應地把傳統進程稱爲重型進程(Heavy-Weight Process)，傳統進程至關於只有一個線程的任務。

在引入了線程的操做系統中，一般一個進程都擁有若干個線程，至少也有一個線程。

併發性

傳統的OS系統，進程之間能夠併發執行，引入線程概念的OS，不只僅進程間能夠併發執行，一個進程中的線程也能夠併發執行，不一樣進程中的線程也能夠併發執行

獨立性

同一進程中的多個線程獨立性比不一樣進程間的獨立性差不少。

每一個進程都是獨立的地址空間和資源，同一進程下多線程他們共享進程下的資源，並且一般他們每每是用來相互合做的，每一個線程均可以訪問所在進程的全部地址空間，好比一個線程打開的文件，能夠被其餘線程讀寫。

調度性

傳統OS，進程做爲資源分配和調度分派的基本單位，進程是能夠獨立運行的基本單位，不過進程調度切換時空開銷大

引入線程的OS，線程是運行調度和分派的基本單位，線程纔是獨立運行的基本單位，線程切換時，僅僅須要保存和設置少許寄存器內容，代價遠遠小於進程切換，不過須要注意是同一個進程內線程切換不會進程切換，可是不一樣進程中的線程進程切換，仍舊會致使進程切換。

擁有資源

進程擁有資源，而且做爲系統中擁有資源的獨立基本單位。

線程自身不擁有系統資源，僅僅擁有一點必不可少的，獨立運行須要的資源，好比線程中的TCB。

除了自身的丁點兒資源外，共享所屬進程的資源，同一個進程下全部線程，擁有相同的地址空間。

多處理器支持

傳統進程（或者說單線程進程）只能運行於一個處理機上，無論有多少個處理機；

可是對於多線程進程，就能夠將一個進程中的多個線程分配到多個處理機上，並行運行

簡言之，多線程可讓多核CPU充分發揮性能並行運行。

系統開銷

進程和線程的建立撤銷，系統都要爲止分配和回收資源，好比內存空間、IO設備等，進程和線程的上下文切換，系統也都須要付出必定的時空開銷。

可是，線程相關的開銷明顯小於進程。

線程簡介

各線程之間也是存在資源共享和相互合做的，線程在運行時也是間斷的，輪轉切換的。

線程也是有運行狀態的，這一點與進程並無本質區別，最主要的狀態也是就緒、執行、阻塞

進程的控制核心信息保存在PCB中，線程也有對應的組成---TCB，全部用於控制和管理線程的信息都保存在TCB中

 

 

線程儘管是另一種徹底不一樣的事物，可是畢竟是從進程的概念演化而來，也是操做系統對程序運行抽象的一部分，因此，線程必然與進程有着不少的類似點

線程實現

線程的實現主要有三種形式

• 內核支持
• 用戶級線程
• 另外就是兩者的組合

 

從上面的分析中能夠看得出來，內核支持和用戶級都有各自明顯的缺點和優勢。

有些操做系統把用戶級線程和內核支持線程兩種方式進行組合，提供了組合方式ULT/KST 線程。

在組合方式線程系統中， 內核支持多KST線程的創建、調度和管理，同時，也容許用戶應用程序創建、調度和管理用戶級線程。

一些內核支持線程對應多個用戶級線程，程序員可按應用須要和機器配置對內核支持線程數目進行調整，以達到較好的效果。

組合方式線程中，同一個進程內的多個線程能夠同時在多處理器上並行執行，並且在阻塞一個線程時，並不須要將整個進程阻塞。

因此，組合方式多線程機制可以結合 KST和 ULT二者的優勢，並克服了其各自的不足。 

線程的同步與通訊

關於進程的同步與通訊的相關邏輯原理，對於進程的同步與通訊絕大多數都是適用的。

針對於這些原理，多線程OS也提供了多種同步機制，如互斥鎖、條件變量、計數信號量以及多讀、單寫鎖等。

信號量機制

進程中的信號量機制徹底適合多線程同步

根據用法分爲兩種

• 私用信號量(private samephore)
• 公用信號量(public semaphort)

系統運行中，有多個進程，進程中又有多個線程。

若是是爲了同一進程中多個線程同步設置的信號量，量屬於特定的進程全部，這就叫作私用，OS並不知道私用信號量的存在。

若是是爲了避免同進程或者不一樣進程中的線程之間而設置的，就叫作公用。其數據結構是存放在受保護的系統存儲區中，由OS爲它分配空間並進行管理，故也稱爲系統信號量。

互斥鎖(mutex)

互斥鎖是一種比較簡單的、用於實現線程間對資源互斥訪問的機制

互斥鎖能夠有兩種狀態

• 開鎖(unlock)
• 關鎖(lock)

當一個線程須要讀/寫一個共享數據段時，須要對mutex進行上鎖，離開時須要解鎖。

上鎖時，首先校驗 mutex 的狀態，若是它已處於關鎖狀態，則試圖訪問該數據段的線程將被阻塞；若是 mutex處於開鎖狀態，則將 mutex 上鎖後便去讀/寫該數據段。

線程完成操做後，必須將 mutex 解鎖，同時還須要將阻塞在該互斥鎖上的一個線程喚醒，其它的線程仍被阻塞在等待mutex打開的隊列上。

另外，爲了減小線程被阻塞的機會，在有的系統中還提供了一種用於 mutex 上的操做命令 Trylock。

顧名思義，並不會由於沒法進入而阻塞，若 mutex 處於上鎖狀態，則 Trylock 並不會阻塞該線程，而只是返回一個指示操做失敗的狀態碼。

條件變量

在許多狀況下，只利用 mutex 來實現互斥訪問可能會引發死鎖，好比A線程請求資源順序爲R1，R2，B線程請求資源順序爲R2，R1

若是A對mutex 1上鎖成功進入臨界區後，須要獲取R2的鎖mutex 2，但是此時B得到了資源R2，對mutex 2已經上鎖，此時，A等待mutex 2 B等待mutex 1，造成了死鎖

因此說，鎖，應該是僅僅用於在條件成立時進行操做時的一個同步保障，而不能在整個過程當中都依靠鎖

能夠藉助於條件變量，就是條件

每個條件變量一般都與一個互斥鎖一塊兒使用，單純的互斥鎖用於短時間鎖定，主要是用來保證對臨界區的互斥進入。

而條件變量則用於線程的長期等待，直至所等待的資源成爲可用的資源。

申請

Lock mutex                  

while (條件狀態不知足) {

        wait(condition variable)；//釋放鎖，線程掛起等待，直到條件知足通知；

}

臨界區其餘操做

unlock mutex; 

釋放

Lock mutex

一些操做

unlock mutex；

wakeup(condition variable)；

簡言之，藉助於條件變量用於控制長時間的等待，鎖用於控制對資源的同步。

總結

本文對線程進行了很是簡單的介紹，線程之於進程在不少的方面有着極其相似的邏輯，尤爲是從調度的視角看。

畢竟線程就是對進程中關於調度部分的獨立抽象。

只要可以理解進程和線程的目的就可以很好地理解他們類似的緣由，由於都是操做系統對於程序運行的抽象描述，線程是進程的更加細粒度的掌控。

在換句話說就是操做系統的角度對程序的執行抽象爲：「資源的分配」「調度」

最初這兩個概念都是加諸於進程這個概念上，後續爲了更加高效將兩個概念進行了拆分，就是這樣

因此說，對於原先介紹的進程的相關概念中關於調度部分的絕大多數理論，都是適用於線程概念的

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