操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

什么是线程,为什么要引入线程?

有的进程可能需要 “同时” 做很多事情,而传统的进程只能串行的执行一系列的程序,为此,引入了 “线程” ,来增加并发度。

可以把线程理解为 轻量级进程,线程是可以基本的 CPU 执行单位,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,进程内的各个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。

引入线程后,进程只作为除 CPU 之外的系统资源的分配单元。

引入线程机制后,有什么变化?

资源分配、调度

传统进程机制中,进程是资源分配、调度的基本单位,而引入线程后,进程是资源分配的基本单位,线程是调用的基本单位。

并发性

传统进程机制中,只能进程间并发,引入线程之后,各个线程之间,也能并发,提升并发度。

系统开销

传统的进程间并发,需要切换进程的运行环境,系统开销很大,线程间的并发,如果是同一进程内的线程切换,则不需要切换进程环境,系统开销小,引入线程之后,并发所带来的系统开销减小。

线程的实现方式

用户级线程

在早期,操作系统还不支持线程的时候,当时的 “线程” 是由线程库实现的。

用户线程指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程,不依赖操作系统核心,程序利用线程库提供创建、同步、调用和管理线程的函数来控制用户线程。

用户级线程有以下特点:

1、用户级线程由应用程序通过线程库实现,所有的线程管理工作都由应用程序负责(包括线程切换)。

2、用户级线程中,线程切换可以在用户态下即可完成,无需操作系统干预。

3、在用户看来,是有多个线程,但是在操作系统内核来看,是意识不到线程的存在。用户级线程就是从用户视角能看到的线程

4、优缺点:

优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成,不需要切换到核心态,线程管理的系统开销小,效率高。

缺点:当一个用户线程被阻塞后,整个进程都会被阻塞,并发度不高,多个线程不可在多个处理机上并行运行。

内核级线程

内核线程是指需要内核的参与,由内核完成线程的调度,依赖于操作系统核心,由内核的内部进行线程的创建和撤销。内核线程的线程表位于内核中,包括了线程控制块(TCB) ,一旦线程阻塞,内核会从当前或者其他进程中重新选择一个线程保证程序的执行。

内核级线程有以下特点:

1、内核级线程的管理工作都是由操作系统内核完成的,

2、线程调度、切换等工作,都是由内核负责,因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

3、操作系统会为每个内核级线程建立相应的 TCB,通过 TCB 对线程进行管理,内核级线程就是从 操作系统内核视角能看到的线程

4、优缺点:

优点:当一个线程被阻塞后,别的线程还可以继续执行,并发能力强。 多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程,线程切换由操作系统内核完成,需要切换到核心态,因此线程的管理成本较高,开销大。

多线程模型

一对一模型

一对一模型:一个用户级线程映射到一个内核级线程,每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

优点:当一个线程被阻塞后,别的线程还可以继续执行,并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程,线程切换需要操作系统内核完成,需要切换到核心态,因此线程管理成本高,开销大。

操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)

多对一模型

多对一模型:多个用户线程映射到一个内核级线程,且一个进程只能被分配一个内核级线程。

优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成,不需要切换到核心态,线程管理的系统开销小,效率高。

缺点:当一个用户级线程被阻塞后,整个进程都会被阻塞,并发度不高,多个线程不可再多核处理机上并行执行。
操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)

多对多模型

多对多模型: n 个用户级线程映射到 m 个内核级线程 (n >= m),每个用户进程对应 m 个内核级线程。

克服了多对一模型的并发度不高的缺点,同时又解决了一对一模型中,用户进程占用太多内核级线程开销太大的缺点。

操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)

线程的组织

进程在操作系统的管理中,有 PCB 数据结构,而线程也有对应的数据结构存储线程相关信息,来方便操作系统进行管理,也就是对应的 TCB。

操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)

线程的特点总结

操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)

线程的实现方式和多线程模型总结

操作系统原理 —— 线程的概念、实现方式、多线程模型(十)文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-436944.html

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