一 .背景知識

1.進程

之前我們已經了解了操作系統中進程的概念，程序并不能單獨運行，只有將程序裝載到內存中，系統為它分配資源才能運行，而這種執行的程序就稱之為進程。程序和進程的區別就在于：程序是指令的集合，它是進程運行的靜態描述文本；進程是程序的一次執行活動，屬于動態概念。在多道編程中，我們允許多個程序同時加載到內存中，在操作系統的調度下，可以實現并發地執行。這是這樣的設計，大大提高了CPU的利用率。進程的出現讓每個用戶感覺到自己獨享CPU，因此，進程就是為了在CPU上實現多道編程而提出的。

2.有了進程為什么還要線程

進程有很多優點，它提供了多道編程，讓我們感覺我們每個人都擁有自己的CPU和其他資源，可以提高計算機的利用率。很多人就不理解了，既然進程這么優秀，為什么還要線程呢？其實，仔細觀察就會發現進程還是有很多缺陷的，主要體現在兩點上：

進程只能在一個時間干一件事，如果想同時干兩件事或多件事，進程就無能為力了。

進程在執行的過程中如果阻塞，例如等待輸入，整個進程就會掛起，即使進程中有些工作不依賴于輸入的數據，也將無法執行。

如果這兩個缺點理解比較困難的話，舉個現實的例子也許你就清楚了：如果把我們上課的過程看成一個進程的話，那么我們要做的是耳朵聽老師講課，手上還要記筆記，腦子還要思考問題，這樣才能高效的完成聽課的任務。而如果只提供進程這個機制的話，上面這三件事將不能同時執行，同一時間只能做一件事，聽的時候就不能記筆記，也不能用腦子思考，這是其一；如果老師在黑板上寫演算過程，我們開始記筆記，而老師突然有一步推不下去了，阻塞住了，他在那邊思考著，而我們呢，也不能干其他事，即使你想趁此時思考一下剛才沒聽懂的一個問題都不行，這是其二。

現在你應該明白了進程的缺陷了，而解決的辦法很簡單，我們完全可以讓聽、寫、思三個獨立的過程，并行起來，這樣很明顯可以提高聽課的效率。而實際的操作系統中，也同樣引入了這種類似的機制——線程。

3.線程的出現

60年代，在OS中能擁有資源和獨立運行的基本單位是進程，然而隨著計算機技術的發展，進程出現了很多弊端，一是由于進程是資源擁有者，創建、撤消與切換存在較大的時空開銷，因此需要引入輕型進程；二是由于對稱多處理機(SMP)出現，可以滿足多個運行單位，而多個進程并行開銷過大。

因此在80年代，出現了能獨立運行的基本單位——線程(Threads)。

注意：進程是資源分配的最小單位,線程是CPU調度的最小單位.

每一個進程中至少有一個線程。

在傳統操作系統中，每個進程有一個地址空間，而且默認就有一個控制線程

線程顧名思義，就是一條流水線工作的過程，一條流水線必須屬于一個車間，一個車間的工作過程是一個進程

車間負責把資源整合到一起，是一個資源單位，而一個車間內至少有一個流水線

流水線的工作需要電源，電源就相當于cpu

所以，進程只是用來把資源集中到一起(進程只是一個資源單位，或者說資源集合)，而線程才是cpu上的執行單位。

多線程(即多個控制線程)的概念是，在一個進程中存在多個控制線程，多個控制線程共享該進程的地址空間，相當于一個車間內有多條流水線，都共用一個車間的資源。

二 進程和線程的關系

線程與進程的區別可以歸納為以下4點：

1)地址空間和其它資源(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它進程不可見。

2)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。(就類似進程中的鎖的作用)

3)調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。

4)在多線程操作系統中(現在咱們用的系統基本都是多線程的操作系統)，進程不是一個可執行的實體，真正去執行程序的不是進程，是線程，你可以理解進程就是一個線程的容器。

三 線程的特點

在多線程的操作系統中，通常是在一個進程中包括多個線程，每個線程都是作為利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。

1)輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，只是有一些必不可少的、能保證獨立運行的資源。

線程的實體包括程序、數據和TCB。線程是動態概念，它的動態特性由線程控制塊TCB(Thread Control Block)描述。

TCB包括以下信息：

(1)線程狀態。

(2)當線程不運行時，被保存的現場資源。

(3)一組執行堆棧。

(4)存放每個線程的局部變量主存區。

(5)訪問同一個進程中的主存和其它資源。

用于指示被執行指令序列的程序計數器、保留局部變量、少數狀態參數和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

2)獨立調度和分派的基本單位。

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，因而也是獨立調度和分派的基本單位。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小(在同一進程中的)。

3)共享進程資源。

線程在同一進程中的各個線程，都可以共享該進程所擁有的資源，這首先表現在：所有線程都具有相同的進程id，這意味著，線程可以訪問該進程的每一個內存資源；此外，還可以訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。由于同一個進程內的線程共享內存和文件，所以線程之間互相通信不必調用內核。

4)可并發執行。

在一個進程中的多個線程之間，可以并發執行，甚至允許在一個進程中所有線程都能并發執行；同樣，不同進程中的線程也能并發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍設備并行工作的能力。

四 線程的實際應用場景

開啟一個字處理軟件進程，該進程肯定需要辦不止一件事情，比如監聽鍵盤輸入，處理文字，定時自動將文字保存到硬盤，這三個任務操作的都是同一塊數據，因而不能用多進程。只能在一個進程里并發地開啟三個線程,如果是單線程，那就只能是，鍵盤輸入時，不能處理文字和自動保存，自動保存時又不能輸入和處理文字。

之前我們將的socket是不是通過多進程去實現過呀，如果有500個人同時和我聊天，那我是不是要起500進程啊，能行嗎？不好，對不對，那么怎么辦，我就可以開幾個進程，然后每個進程里面開多個線程來處理多個請求和通信。再舉例：我用qq是一個進程，然后我和一個人聊天的時候，是不是還可以去接收別人給我發的消息啊，這個是不是并行的啊，就類似我一個進程開了多個線程來幫我并發接收消息。

五 內存中的線程

多個線程共享同一個進程的地址空間中的資源，是對一臺計算機上多個進程的模擬，有時也稱線程為輕量級的進程。

而對一臺計算機上多個進程，則共享物理內存、磁盤、打印機等其他物理資源。多線程的運行也多進程的運行類似，是cpu在多個線程之間的快速切換。

不同的進程之間是充滿敵意的，彼此是搶占、競爭cpu的關系，如果迅雷會和QQ搶資源。而同一個進程是由一個程序員的程序創建，所以同一進程內的線程是合作關系，一個線程可以訪問另外一個線程的內存地址，大家都是共享的，一個線程干死了另外一個線程的內存，那純屬程序員腦子有問題。

類似于進程，每個線程也有自己的堆棧，不同于進程，線程庫無法利用時鐘中斷強制線程讓出CPU，可以調用thread_yield運行線程自動放棄cpu，讓另外一個線程運行。

線程通常是有益的，但是帶來了不小程序設計難度，線程的問題是：

1. 父進程有多個線程，那么開啟的子線程是否需要同樣多的線程

2. 在同一個進程中，如果一個線程關閉了文件，而另外一個線程正準備往該文件內寫內容呢？

因此，在多線程的代碼中，需要更多的心思來設計程序的邏輯、保護程序的數據。

六 用戶級線程和內核級線程

線程的實現可以分為兩類：用戶級線程(User-Level Thread)和內核線線程(Kernel-Level Thread)，后者又稱為內核支持的線程或輕量級進程。在多線程操作系統中，各個系統的實現方式并不相同，在有的系統中實現了用戶級線程，有的系統中實現了內核級線程。

1.用戶級線程

內核的切換由用戶態程序自己控制內核切換,不需要內核干涉，少了進出內核態的消耗，但不能很好的利用多核Cpu。

在用戶空間模擬操作系統對進程的調度，來調用一個進程中的線程，每個進程中都會有一個運行時系統，用來調度線程。此時當該進程獲取cpu時，進程內再調度出一個線程去執行，同一時刻只有一個線程執行。

2.內核級線程

內核級線程:切換由內核控制，當線程進行切換的時候，由用戶態轉化為內核態。切換完畢要從內核態返回用戶態；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows線程就是這樣的。

用戶級和內核級線程的對比

內核支持線程是OS內核可感知的，而用戶級線程是OS內核不可感知的。

用戶級線程的創建、撤消和調度不需要OS內核的支持，是在語言(如Java)這一級處理的；而內核支持線程的創建、撤消和調度都需OS內核提供支持，而且與進程的創建、撤消和調度大體是相同的。

用戶級線程執行系統調用指令時將導致其所屬進程被中斷，而內核支持線程執行系統調用指令時，只導致該線程被中斷。

在只有用戶級線程的系統內，CPU調度還是以進程為單位，處于運行狀態的進程中的多個線程，由用戶程序控制線程的輪換運行；在有內核支持線程的系統內，CPU調度則以線程為單位，由OS的線程調度程序負責線程的調度。

用戶級線程的程序實體是運行在用戶態下的程序，而內核支持線程的程序實體則是可以運行在任何狀態下的程序

內核級線程

優點：當有多個處理機時，一個進程的多個線程可以同時執行。

缺點：由內核進行調度。

用戶級線程的優缺點：

優點：

線程的調度不需要內核直接參與，控制簡單。

可以在不支持線程的操作系統中實現。

創建和銷毀線程、線程切換代價等線程管理的代價比內核線程少得多。

允許每個進程定制自己的調度算法，線程管理比較靈活。

線程能夠利用的表空間和堆棧空間比內核級線程多。

同一進程中只能同時有一個線程在運行，如果有一個線程使用了系統調用而阻塞，那么整個進程都會被掛起。另外，頁面失效也會產生同樣的問題。

缺點：

資源調度按照進程進行，多個處理機下，同一個進程中的線程只能在同一個處理機下分時復用

3.混合實現

用戶級與內核級的多路復用，內核同一調度內核線程，每個內核線程對應n個用戶線程，用戶和內核都能感知到的線程，用戶創建一個線程，那么操作系統內核也跟著創建一個線程來專門執行你用戶的這個線程。

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總結

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