操作系統原理第四章：線程

1 線程的引入

1.1 線程的由來

前面章節提到，引入進程是爲了解決程序併發所出現的一些問題，進程具有兩個基本的屬性：

• 進程是一個擁有資源的獨立單位:它可獨立分配虛地址空間、主存和其它；
• 進程是一個可獨立調度和分派的基本單位。

正是因爲進程具有這兩個基本屬性，所以進程成爲併發執行的基本單位， 在一些早期的OS中，比如大多數UNIX系統、Linux等，進程同時具有這二個屬性，由於 進程是一個資源的擁有者 ，因而在進程創建、撤銷、調度切換時，系統需要付出較大的時空開銷，所以進程的數目不宜過多，進程切換頻率不宜過高，否則會限制併發程度，操作系統的設計目標是提高併發度，減小系統開銷，顯然進程還不能做到完全的高效，所以引入了線程的概念。

那麼有沒有一種方法能夠既提高系統併發，還能減少系統開銷呢，我們採用的方法是將進程的兩個基本屬性分開，對於擁有資源的基本單位，不對其進行頻繁切換，對於調度的基本單位，不作爲擁有資源的單位，“輕裝上陣”，引入線程以小的開銷來提高進程內的併發程度。

在沒有引入線程之前，進程作爲資源分配單位（存儲器、文件）和CPU調度單位。當引入線程後把線程作爲作爲CPU調度單位，而進程只作爲其他資源分配單位。相比進程，線程只擁有必不可少的資源，如：線程狀態、程序計數器、寄存器上下文和棧，線程同樣具有就緒、阻塞和執行三種基本狀態，一個進程可以創建多個線程，線程與同屬一個進程的其它線程共享進程擁有的全部資源，並且這些線程可以併發執行。

1.2 線程的特點

減小併發執行的時間和空間開銷（線程的創建、退出和調度），因此容許在系統中建立更多的線程來提高併發程度，因爲線程有如下特點：

• 線程的創建時間比進程短；
• 線程的終止時間比進程短；
• 同進程內的線程切換時間比進程短；
• 由於同進程內線程間共享內存和文件資源，可直接進行不通過內核的通信；
• 一個多線程的應用在執行中，即使其中的某個線程阻塞，其他的線程還可繼續執行，從而提高響應速度
• 同一進程的多個線程共享該進程的內存等資源
• 創建和切換線程的開銷要低於進程。比如，Solaris中進程創建時間是線程創建的30倍，進程切換時間是線程切換的5倍
• 多線程更適用於多處理機結構

1.3 線程的定義

線程（輕型進程）是CPU運用的一個基本單元，包括：

• 程序計數器 (program counter)
• 寄存器集 (register set)
• 棧空間 (stack space)

一個線程與它的對等線程共享如下內容：

• 代碼段 (code section)
• 數據段 (data section)
• 操作系統資源 (operating-system resources)

傳統的或重型進程等價於只有一個線程的任務，下圖是單線程和多線程的對比，可以從圖中看到多個線程共享code，data，files，並且每個線程有自己的registers，stack：

1.4 進程和線程的比較

• 併發性：在引入線程的OS中，不僅進程之間可以併發執行，而且在一個進程中的多個線程之間亦可併發執行，因而使OS具有更好的併發性，從而能更有效地使用系統資源和提高系統吞吐量；
• 擁有資源：進程是擁有資源的獨立單位，而線程只擁有一些必不可少的資源；
• 系統開銷：在創建或撤消進程時，系統都要爲之分配或回收資源，如內存空間、I/O設備等。因此，OS所付出的開銷將明顯地大於在創建或撤消線程時的開銷；
• 地址空間和其他資源（如打開文件）：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享，某進程內的線程在其他進程不可見；
• 通信：進程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進程數據段（如全局變量）來進行通信，需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數據的一致性；
• 調度：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多，下圖是線程切換和進程切換的示意圖，當單線程進程需要切換的時候，整塊內容都需要切換，當多線程進行切換的時候，只需要切換單個線程內容，即虛線框內的內容。
  

2 內核線程和用戶線程

線程是一個輕型的進程，引入線程是爲了進一步提高系統併發，從而提高系統效率，線程在實現的時候分爲兩種：

• 內核支持的線程 (Kernel-supported threads)
• 用戶級線程 (User-level threads)：在內核之上，通過用戶級的庫調用

2.1 內核線程

內核線程由內核支持，在內核空間執行線程創建、調度和管理，當線程是內核線程時，才真正的是CPU調度的基本單位，這麼說是因爲後面要講到的用戶線程並不是CPU調度的基本單位。內核線程是依賴於操作系統的，這個時候內核維護進程和線程的上下文信息，線程切換由內核完成，一個線程發起系統調用而阻塞，不會影響其他線程的運行，時間片分配給線程，所以多線程的進程獲得更多CPU時間（線程作爲CPU調度的基本單位，每個線程都會分得時間片，所以線程越多的進程，分到的CPU時間越多）。

2.2 用戶線程

用戶線程是由用戶級線程庫進行管理的線程，這個時候線程庫提供對線程創建\調度和管理的支持，無需內核支持，因此用戶線程不是CPU調度的基本單位，此時進程是CPU調度的基本單位。

由於用戶線程不依賴於 OS 核心，應用進程利用線程庫提供創建、同步、調度和管理線程的函數來控制用戶線程。調度由應用軟件內部進行，通常採用非搶先式和更簡單的規則，也無需用戶態核心態切換，所以速度特別快 。

用戶線程的維護由應用進程完成，內核不瞭解用戶線程的存在，用戶線程切換不需要內核特權，用戶線程的缺點是如果內核是單線程的，那麼一個用戶線程發起系統調用而阻塞，則整個進程阻塞，此時時間片分配給進程，多線程則每個線程就慢。

2.3 兩者比較

• 調度方式：內核線程的調度和切換與進程的調度和切換十分相似，用戶線程的調度不需OS的支持；
• 調度單位：用戶線程的調度以進程爲單位進行，在採用時間片輪轉調度算法時，每個進程分配相同的時間片。對內核級線程，每個線程分配時間片

3 線程模型

用戶線程是在用戶空間去實現的，有關於用戶線程的所有操作都是在用戶空間裏實現的，那麼這樣的用戶線程如果要用到操作系統提供的功能的時候，它通常是要映射到內核空間去，就要在用戶線程和內核線程之間做映射，在映射過程中有以下三種模式：

• 多對一 (Many-to-One)：多個用戶線程映射到內核線程上，如下圖，任一時刻只能有一個線程可以訪問內核(併發性低)，一個用戶線程發起系統調用而阻塞，則整個進程阻塞：
  
• 一對一 (One-to-One)：每個用戶線程對應一個內核線程，如下圖，提供了更好的併發性,一個用戶線程發起系統調用而阻塞時允許另一個線程運行，每創建一個用戶級線程需創建一個相應的內核線程，帶來了額外開銷，所以許多系統限制應用中的線程數目：
  
• 多對多 (Many-to-Many)：爲了克服上述兩種方式的缺點，引入了多對多模型，不限制應用的線程數、多個線程可以併發，如下圖：