2.2 线程与多线程模型

引入线程的目的，线程与进程的比较，线程的属性与状态，用户级线程与内核级线程两种实现方式，多对一、一对一、多对多三种多线程模型。

线程的基本概念

引入进程的目的是更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量；而引入线程的目的则是减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

线程最直接的理解就是”轻量级进程”，它是一个基本的 CPU 执行单元，也是程序执行流的最小单元，由线程 ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。

引入线程后，进程的内涵发生了改变：进程只作为除 CPU 外的系统资源的分配单元，而线程则作为处理机的分配单元。

线程与进程的比较

线程的属性：线程是一个轻型实体，它不拥有系统资源，但每个线程都应有一个唯一的标识符和一个线程控制块（TCB），TCB 记录了线程执行的寄存器和栈等现场状态；不同的线程可以执行相同的程序；同一进程中的各个线程共享该进程所拥有的资源；线程是处理机的独立调度单位，多个线程是可以并发执行的；一个线程被创建后，便开始了它的生命周期，直至终止，线程在生命周期内会经历阻塞态、就绪态和运行态等各种状态变化。

线程的实现方式

用户级线程（ULT）

在用户级线程中，有关线程管理（创建、撤销和切换等）的所有工作都由应用程序在用户空间中完成，内核意识不到线程的存在。应用程序可以通过使用线程库设计成多线程程序。

• 优点：① 线程切换不需要转换到内核空间，节省了模式切换的开销；② 调度算法可以是进程专用的，不同的进程可根据自身的需要，对自己的线程选择不同的调度算法；③ 用户级线程的实现与操作系统平台无关，对线程管理的代码是属于用户程序的一部分；
• 缺点：① 系统调用的阻塞问题，当线程执行一个系统调用时，不仅该线程被阻塞，而且进程内的所有线程都被阻塞；② 不能发挥多处理机的优势，内核每次分配给一个进程的仅有一个 CPU，因此进程中仅有一个线程能执行。

内核级线程（KLT）

在操作系统中，无论是系统进程还是用户进程，都是在操作系统内核的支持下运行的，与内核紧密相关。内核级线程同样也是在内核的支持下运行的，线程管理的所有工作也是在内核空间内实现的。内核空间也为每个内核级线程设置一个线程控制块，内核根据该控制块感知某线程的存在，并对其加以控制。

• 优点：① 能发挥多处理机的优势，内核能同时调度同一进程中的多个线程并行执行；② 如果进程中的一个线程被阻塞，内核可以调度该进程中的其他线程占用处理机，也可运行其他进程中的线程；③ 内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程切换比较快、开销小；④ 内核本身也可采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率；
• 缺点：同一进程中的线程切换，需要从用户态转到核心态进行，系统开销较大。这是因为用户进程的线程在用户态运行，而线程调度和管理是在内核实现的。

多线程模型

有些系统同时支持用户线程和内核线程，由于用户级线程和内核级线程连接方式的不同，从而形成了下面三种不同的多线程模型：

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