处理器管理补充——线程

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1.1 线程的概念

回忆：[未引入线程前] 进程有两个基本属性：拥有资源的独立单位、处理器调度和分配的基本单位。

引入线程以后，线程将作为处理器调度和运行的基本单位，进程作为分配资源的基本单位，计算机可以通过创建线程来完成任务，以减少程序并发执行时的时空开销。

线程的组成

• 线程ID

• 程序计数器

• 寄存器集合

• 堆栈

一个线程与同属一个进程的其它线程共享其代码段、数据段和其它操作系统资源(如打开文件和信号)。

一个进程可以有多个控制线程，它就能同时做多个任务。因此，我们可以得知引入线程的目的是提高系统内程序并发执行的程度，进一步提高系统的吞吐量。

线程的特点

• 线程是程序中一个单一的顺序控制流程

• 在单个程序中可以同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程

• 多线程是为了同步完成多项任务，通过提高资源使用效率来提高系统的效率

• 多线程是在同一时间需要完成多项任务的时候实现的

1.2 多线程编程优点

1. 响应程度高。如果对一个交互式应用程序采用多线程，即使它部分阻塞或执行较冗长的操作，那么，该程序仍然能继续工作，从而提高对用户的响应程度。

2. 资源共享。线程默认共享自身所属进程的内存和资源。

3. 经济。创建进程所需要的内存和资源的分配比较昂贵，而由于线程允许共享自身所属进程的资源，所以，创建线程和上下文切换会更经济。

4. 多处理器体系结构的利用。多线程的优点之一是能充分使用多处理器体系结构，以便每个线程能够并行运行在不同的处理器上。

1.3 线程的实现

线程的实现主要分为两种方式：用户级线程、内核级线程

用户级线程

• 用户级线程仅存在于用户空间中

• 用户级线程的创建、撤销、线程间的同步与通信等功能都无需通过系统调用来实现

• 用户级线程的切换，常发生在一个应用进程的诸多线程之间，且无需内核的支持

• 线程间的切换速度非常快（线程的切换规则简单）

• 因为用户级线程与内核无关，所以，内核完全不知道用户级线程的存在

内核级线程

• 内核级线程是在内核的支持下运行的

• 内核线程的创建和管理要慢于用户线程的创建和管理（用户线程 > 内核线程）

• 内核为每个内核级线程设置了一个PCB，内核根据该PCB感知线程的存在，并对其进行控制

1.4 多线程模型

多对一模型

• 多对一模型将许多用户级线程映射到一个内核线程

• 线程管理是在用户空间进行的，因此效率比较高

• 如果一个线程执行了阻塞系统调用，那么，整个进程就会阻塞，而且，由于任何时刻只允许一个线程访问内核，因此多个线程不能并行运行在多处理器上

• 该模型，处理器调度的单位仍然是进程

一对一模型

• 一对一模型将每个用户线程映射到一个内核线程

• 当一个线程执行阻塞时，该线程模型能够允许另一个线程继续执行，所以，它提供了比多对一模型更好的并发功能

• 该模型允许多个线程运行在多处理器系统上

缺点:

• 每创建一个用户线程就需要创建一个相应的内核线程。由于创建内核线程的开销会影响应用程序的性能，所以，这种模型的绝大多数实现限制了系统所支持的线程数量。

多对多模型

• 多对多模型使用多路复用技术，使许多用户级线程映射到同样数量或更小数量的内核线程上

• 多对多模型克服了前两种模型的缺点，开发人员可以创建任意多个必要的线程，并且相应的内核线程能够在多处理器系统上并行运行

• 当一个线程执行阻塞系统调用时，内核能够调度另一个线程来执行

线程实现模型

1.5 线程池

流程：

• 预先创建若干数量的线程，并让这些线程都处于睡眠状态，不消耗CPU资源

• 当客户端有一个新请求时，就会唤醒线程池中的某一个睡眠线程，让它来处理客户端的这个请求

• 当处理完这个请求后，线程又处于睡眠状态

基于这种预创建技术，线程池将线程创建和销毁所带来的开销均摊到各个具体的任务上，执行次数越多，每个任务分担到的线程自身开销就越小。

线程池具有以下优点：

• (1) 用现有线程处理请求通常比等待创建新线程快

• (2) 线程池限定了任何时候可存在线程的数量