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# 51. 线程 - 理念知识

# 操作系统线程 - 理论知识

# 线程概念的引入背景

进程 　　之前我们已经了解了操作系统中进程的概念，程序并不能单独运行，只有将程序装载到内存中，系统为它分配资源才能运行，而这种执行的程序就称之为进程。程序和进程的区别就在于：程序是指令的集合，它是进程运行的静态描述文本；进程是程序的一次执行活动，属于动态概念。在多道编程中，我们允许多个程序同时加载到内存中，在操作系统的调度下，可以实现并发地执行。正是这样的设计，大大提高了CPU的利用率。进程的出现让每个用户感觉到自己独享CPU，因此，进程就是为了在CPU上实现多道编程而提出的。

进程这么牛逼，为什么还要有线程？ 进程有很多优点，它提供了多道编程，让我们感觉我们每个人都拥有自己的CPU和其他资源，可以提高计算机的利用率。很多人就不理解了，既然进程这么优秀，为什么还要线程呢？其实，仔细观察就会发现进程还是有很多缺陷的，主要体现在两点上：

  1. 进程只能在一个时间干一件事，如果想同时干两件事或多件事，进程就无能为力了。
  2. 进程在执行的过程中如果阻塞，例如等待输入，整个进程就会挂起，即使进程中有些工作不依赖于输入的数据，也将无法执行。

如果这两个缺点理解比较困难的话，举个现实的例子也许你就清楚了：如果把我们上课的过程看成一个进程的话，那么我们要做的是耳朵听老师讲课，手上还要记笔记，脑子还要思考问题，这样才能高效的完成听课的任务。而如果只提供进程这个机制的话，上面这三件事将不能同时执行，同一时间只能做一件事，听的时候就不能记笔记，也不能用脑子思考，这是其一；如果老师在黑板上写演算过程，我们开始记笔记，而老师突然有一步推不下去了，阻塞住了，他在那边思考着，而我们呢，也不能干其他事，即使你想趁此时思考一下刚才没听懂的一个问题都不行，这是其二。

现在你应该明白了进程的缺陷了，而解决的办法很简单，我们完全可以让听、写、思三个独立的过程，并行起来，这样很明显可以提高听课的效率。而实际的操作系统中，也同样引入了这种类似的机制——线程。

线程的出现 60年代，在OS中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程，然而随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端，一是由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时空开销，因此需要引入轻型进程；二是由于对称多处理机（SMP）出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。 　　因此在80年代，出现了能独立运行的基本单位——线程（Threads）。 　　注意：进程是资源分配的最小单位,线程是CPU调度的最小单位. 　　　　　每一个进程中至少有一个线程

线程与进程的区别可以归纳为以下4点：

  1. 地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。
  2. 通信：进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。
  3. 调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。
  4. 在多线程操作系统中，进程不是一个可执行的实体。

# 线程的特点

在多线程的操作系统中，通常是在一个进程中包括多个线程，每个线程都是作为利用CPU的基本单位，是花费最小开销的实体。线程具有以下属性。

  1. 轻型实体：
    1. 线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。
    2. 线程的实体包括程序、数据和TCB。
      1. 线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述。
        1. TCB包括以下信息：
          1. 线程状态。
          2. 当线程不运行时，被保存的现场资源。
          3. 一组执行堆栈。
          4. 存放每个线程的局部变量主存区。
          5. 访问同一个进程中的主存和其它资源。
          6. 用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。
  2. 独立调度和分派的基本单位：
    1. 在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。
    2. 由于线程很轻，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。
  3. 共享进程资源：
    1. 线程在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，
    2. 这首先表现在：所有线程都具有相同的进程id，这意味着，线程可以访问该进程的每一个内存资源；
    3. 此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。
    4. 由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。
  4. 可并发执行：
    1. 在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力

# 使用线程的实际场景

开启一个字处理软件进程，该进程肯定需要办不止一件事情，

  1. 比如监听键盘输入，处理文字，定时自动将文字保存到硬盘，这三个任务操作的都是同一块数据，因而不能用多进程。只能在一个进程里并发地开启三个线程,如果是单线程，
  2. 那就只能是，键盘输入时，不能处理文字和自动保存，自动保存时又不能输入和处理文字。

# 内存中的线程

  1. 多个线程共享同一个进程的地址空间中的资源，是对一台计算机上多个进程的模拟，有时也称线程为轻量级的进程。
  2. 而对一台计算机上多个进程，则共享物理内存、磁盘、打印机等其他物理资源。多线程的运行也和多进程的运行类似，是cpu在多个线程之间的快速切换。
  3. 不同的进程之间是充满敌意的，彼此是抢占、竞争cpu的关系，如果迅雷会和QQ抢资源。而同一个进程是由一个程序员的程序创建，所以同一进程内的线程是合作关系，一个线程可以访问另外一个线程的内存地址，大家都是共享的，一个线程干死了另外一个线程的内存，那纯属程序员脑子有问题。
  4. 类似于进程，每个线程也有自己的堆栈，不同于进程，线程库无法利用时钟中断强制线程让出CPU，可以调用thread_yield运行线程自动放弃cpu，让另外一个线程运行。

线程通常是有益的，但是带来了不小程序设计难度，线程的问题是：

1. 父进程有多个线程，那么开启的子线程是否需要同样多的线程 　　2. 在同一个进程中，如果一个线程关闭了文件，而另外一个线程正准备往该文件内写内容呢？ 　　3. 因此，在多线程的代码中，需要更多的心思来设计程序的逻辑、保护程序的数据。

# 用户级线程和内核级线程

线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-Level Thread)和内核线线程(Kernel-Level Thread)，后者又称为内核支持的线程或轻量级进程。在多线程操作系统中，各个系统的实现方式并不相同，在有的系统中实现了用户级线程，有的系统中实现了内核级线程。

用户级线程

  1. 内核的切换由用户态程序自己控制内核切换,不需要内核干涉，少了进出内核态的消耗，但不能很好的利用多核Cpu。

  2. 在用户空间模拟操作系统对进程的调度，来调用一个进程中的线程，每个进程中都会有一个运行时系统，用来调度线程。此时当该进程获取cpu时，进程内再调度出一个线程去执行，同一时刻只有一个线程执行。

内核级线程

  1. 内核级线程:切换由内核控制，当线程进行切换的时候，由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows线程就是这样的

用户级线程和内核级线程的区别

  1. 内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。
  2. 用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持，是在语言（如Java）这一级处理的；而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持，而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。
  3. 用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。
  4. 在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。
  5. 用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序，而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。

**内核线程的优缺点 **

  1. 优点：当有多个处理机时，一个进程的多个线程可以同时执行。
  2. 缺点：由内核进行调度。

**用户级线程的优缺点 **

  1. 优点：线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。
    1. 可以在不支持线程的操作系统中实现。
    2. 创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。
    3. 允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。
    4. 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
    5. 同一进程中只能同时有一个线程在运行，如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起。另外，页面失效也会产生同样的问题。
  2. 缺点：资源调度按照进程进行，多个处理机下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用

混合实现

用户级与内核级的多路复用，内核同一调度内核线程，每个内核线程对应n个用户线程

  1. 历史：

    1. 在内核2.6以前的调度实体都是进程，内核并没有真正支持线程。它是能过一个系统调用clone()来实现的，这个调用创建了一份调用进程的拷贝，跟fork()不同的是,这份进程拷贝完全共享了调用进程的地址空间。LinuxThread就是通过这个系统调用来提供线程在内核级的支持的(许多以前的线程实现都完全是在用户态，内核根本不知道线程的存在)。非常不幸的是，这种方法有相当多的地方没有遵循POSIX标准，特别是在信号处理，调度，进程间通信原语等方面。
    2. 很显然，为了改进LinuxThread必须得到内核的支持，并且需要重写线程库。为了实现这个需求，开始有两个相互竞争的项目：IBM启动的NGTP(Next Generation POSIX Threads)项目，以及Redhat公司的NPTL。在2003年的年中，IBM放弃了NGTP，也就是大约那时，Redhat发布了最初的NPTL。
    3. NPTL最开始在redhat linux 9里发布，现在从RHEL3起内核2.6起都支持NPTL，并且完全成了GNU C库的一部分。

  2. 设计：

    1. NPTL使用了跟LinuxThread相同的办法，在内核里面线程仍然被当作是一个进程，并且仍然使用了clone()系统调用(在NPTL库里调用)。但是，NPTL需要内核级的特殊支持来实现，比如需要挂起然后再唤醒线程的线程同步原语futex.
    2. NPTL也是一个1*1的线程库，就是说，当你使用pthread_create()调用创建一个线程后，在内核里就相应创建了一个调度实体，在linux里就是一个新进程，这个方法最大可能的简化了线程的实现。
    3. 除NPTL的1 * 1模型外还有一个m*n模型，通常这种模型的用户线程数会比内核的调度实体多。在这种实现里，线程库本身必须去处理可能存在的调度，这样在线程库内部的上下文切换通常都会相当的快，因为它避免了系统调用转到内核态。然而这种模型增加了线程实现的复杂性,并可能出现诸如优先级反转的问题，此外，用户态的调度如何跟内核态的调度进行协调也是很难让人满意。

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