操作系统之线程 (九)

在说线程之前，我们先说说进程，顺便引出线程。下面开始说了！

在还没引入进程之前，计算机只能串行执行程序，即 你不能同时用QQ聊天和用网易云听音乐，你只能选择一个执行顺序，先听音乐还是先聊QQ，或者先聊QQ再听音乐呢？显然，我们不能接受这种情况。

随着计算机的发展，进程被引入了，那此时我们就能边聊QQ聊听音乐了。 但是，新的问题出现了。你想一边用QQ视频聊天，一边用QQ传输一些文件。在之前提过，进程是程序的执行过程，但是显然两个功能不可能由一个程序顺序处理就能实现。 所以，由于有的进程内部需要"同时"做很多事情，我们就引入了线程。线程可以在进程中并发运行，每个线程可以对应相应的功能。 可以这样理解，线程是轻量级的进程。

从上图中可见，由于线程的引入，现在不仅进程之间可以并发，进程的各个线程之间也可以并发执行。而线程的出现也使得一个进程内可以并发的处理各种任务(如 QQ视频、传文件…)。 当然，由于线程的出现，进程也减轻了工作，传统的进程是系统调度的基本单位，而引入线程后，线程成为了系统调度的基本单位。所以现在进程只作为除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)。

这里举个例子类比一下进程和线程： 假如你是一个杀手，别人给你钱，再给你任务，你就去取受害者的狗命。此时，收钱的是你，做事的也是你。在这里，你就是传统的进程，既要收钱(系统资源)，又要办事(执行指令)。 由于你的勤奋，你成立了一个杀手集团，成为了集团的BOSS。所以现在别人只需要给你钱和任务，然后你再分配任务给集团中的成员，让他们去做。在这里，你就是进程，集团中的成员就是线程，别人给你钱(系统资源)后，你再让集团成员(线程)去做。

下面用思维导图的形式看看线程出现带来的变化。 这里再举个例子类比一下进程切换和线程切换： 故事背景： 你去图书馆看书。你吹着38.2度的空调，在桌子前安静的看书。这时，有人过来了。 进程切换：乔碧罗奶奶过来了！她叫你马上起来，把桌子让给他，不然就让你感受一下坦克的威力。由于乔碧罗奶奶要用桌子，你需要把你在桌子上的书全部收走，她再把自己的书放到桌子上，显然这种方式对你来说费时费力。 同一进程内的线程切换：你可爱的舍友过来了，由于你们是熟人，所以你们共用一张桌子，一起看书，你不必把桌子上的书收走。

线程的实现方式有两种，分别是用户级线程和内核级线程。

用户级线程 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 (包括进程切换)。在用户级线程中，线程的切换可以再用户态下完成，无需操作系统的干预。用户感受得到用户级线程，但是操作系统却意识不到他们的存在。(专业术语：用户级线程对用户不透明，对操作系统透明)

内核级线程 内核级线程的管理工作由操作系统的内核程序完成，线程调度、切换等工作都由内核负责。因此，内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。用户感受不到内核级线程，但是操作系统意识得到他们的存在。(专业术语：用户级线程对用户透明，对操作系统不透明) 注意：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。

二者结合 在同时指出用户级线程和内核级线程的操作系统中，我们可以采用二者结合的方式：将n个用户级线程映射到m个内核级线程上。( n>=m ) 如图，该进程由三个用户级线程映射到两个内核级线程组成。在用户看来，这个进程中有三个线程，但是即使该进程在一个四核的计算机中运行，最多只能有两个线程并行执行，因为只有内核级线程才是处理机分配的单位。

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“多线程模型”问题。 多线程模型分为：多对一模型、一对一模型和多对多模型。

多对一模型 多个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。 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(因为此时只有一个内核级线程)。

一对一模型 一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有着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，别的用户级线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。 缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，而内核级线程的切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理成本高、开销大。

多对多模型 n个用户级线程映射到m个内核级线程 ( n >= m )。每个用户进程对应m个内核级线程。 这种模型克服了多对一模型并发度不高的缺点，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，是上述两种模型的折中方案。

以上内容大部分来自王道操作系统系列视频教学。