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线程及实现方式

一、线程 

        线程是一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单位。引入线程之后,不仅是进程之间可以并发,进程内的各线程之间也可以并发,从而进一步提升了系统的并发度,使得一个进程内也可以并发处理各种任务(如QQ视频、文字聊天、传文件)引入线程后,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)。

  1. 线程是处理机调度的单位: 是的,线程是调度的基本单位。在多CPU计算机中,不同线程可以被调度到不同的CPU核上并行执行,这提高了并发性能。

  2. 线程可占用不同的CPU: 正确。在多CPU系统中,不同线程可以并行在不同的CPU核上执行。

  3. 每个线程都有一个线程控制块(TCB): 是的,线程控制块是操作系统用来管理和维护线程状态的数据结构。

  4. 线程有就绪、阻塞、运行三种基本状态: 是的,这是描述线程在操作系统中可能处于的基本状态。

  5. 线程几乎不拥有系统资源: 这取决于线程的类型。用户级线程(User-Level Threads)通常几乎不拥有系统资源,而内核级线程(Kernel-Level Threads)由操作系统内核管理系统资源。

  6. 同一进程的不同线程间共享进程的资源: 是的,同一进程内的线程通常共享进程的资源,因为它们拥有相同的地址空间。

  7. 同一进程中的线程间通信无需系统干预: 这取决于线程间通信的方式。在共享内存模型中,线程间通信确实无需系统干预。然而,在其他通信方式(如消息传递)中可能需要系统协助。

  8. 同一进程中的线程切换不会引起进程切换: 是的,线程切换通常开销较小,因为同一进程内的线程共享相同的地址空间和其他资源。

  9. 不同进程中的线程切换会引起进程切换: 是的,不同进程的线程切换涉及到不同的地址空间和资源,通常会引起较大的开销,因为这实际上是进程切换。

二 、线程实现方式

1. 用户级线程

用户级线程(User-Level Threads)是一种线程模型,其中线程的创建、调度和管理完全由用户空间的应用程序或用户级线程库负责,而不涉及操作系统内核。这与内核级线程(Kernel-Level Threads)相对,后者的创建和管理需要操作系统的支持。

以下是用户级线程的一些特点:

  1. 轻量级: 用户级线程是轻量级的,因为它们的创建和切换不需要系统调用,而是由用户级线程库直接控制。

  2. 快速切换: 由于用户级线程的切换是在用户空间完成的,因此切换的开销通常比内核级线程低。这对于某些需要高度并发和快速响应的应用程序很有优势。

  3. 无需系统调用: 用户级线程的创建、调度和销毁不需要系统调用,这意味着应用程序可以更自由地控制线程的行为,而不受操作系统的限制。

  4. 无法利用多核: 由于用户级线程的调度由用户空间的线程库负责,它们通常无法充分利用多核处理器。如果一个用户级线程阻塞,整个进程的执行也可能受到影响(它们的调用也是cpu对进程的调度,即进程是最小的调度单位)

  5. 不受操作系统调度策略影响: 用户级线程的调度完全由应用程序控制,不受操作系统的调度策略的影响。这可能导致一些问题,例如用户级线程的阻塞可能导致整个进程的阻塞。

  6. 需要处理同步问题: 由于用户级线程是由用户空间的线程库管理的,它们之间的同步问题通常需要由应用程序自己来处理,而不是依赖于操作系统提供的同步机制。

用户级线程通常在特定应用程序的上下文中使用,对于需要高度优化、灵活性较大的应用程序可能会选择使用用户级线程。然而,它们也有一些限制,例如不能充分利用多核处理器以及在面对 I/O 操作时可能导致整个进程的阻塞等

2. 内核级线程

内核级线程(Kernel-Level Threads)是由操作系统内核直接支持和管理的线程。与用户级线程相对,内核级线程不是由用户空间的线程库进行管理,而是直接由操作系统内核负责。这意味着内核级线程在操作系统的层次结构中更加底层,与操作系统内核的调度和管理机制密切相关。

以下是内核级线程的一些特点:

  1. 由内核管理: 内核级线程的创建、调度、撤销等操作完全由操作系统内核负责,不需要用户空间的线程库的干预。

  2. 更重量级: 与用户级线程相比,内核级线程通常更重量级,因为它们涉及到更多的内核资源和更复杂的上下文切换。

  3. 更高的并发性: 内核级线程能够更好地利用多核处理器,因为内核可以独立地将不同的线程调度到不同的处理器核上运行。

  4. 适用于多核系统: 由于内核级线程能够更好地利用多核系统,它们通常在需要更高并发性的情况下更为合适。

  5. 对同步和互斥的支持: 内核级线程能够充分利用操作系统提供的同步和互斥机制,因为这些机制通常是在内核中实现的。

  6. 阻塞不影响整个进程: 内核级线程的阻塞不会导致整个进程的阻塞。如果一个内核级线程阻塞,其他内核级线程仍然可以继续执行。

  7. 上下文切换开销相对较高: 由于内核级线程的上下文切换涉及到更多的内核资源,因此它们的上下文切换开销相对较高。

总体而言,内核级线程适用于需要更高度并发性、更好地利用多核处理器的场景。然而,由于其较重的开销,对于一些轻量级任务,用户级线程可能更为合适。不同的应用场景和性能需求可能决定了选择哪种线程模型。

3. 多线程模型 

 

线程的组织和控制 

 

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