線程

1.多線程

操作系統中引入進程的目的： 為了描述和實現多個程序的并發執行，以改善資源利用率及提高系統的吞吐量。
操作系統引入線程的目的： 這是為了減少程序并發執行時系統所付出的額外開銷（減少管理進程以及切換進程的時間花銷），使操作系統具有更好的并發性。 進程的兩個基本屬性：
（1）進程是一個擁有資源的獨立單位；
（2）進程同時又是一個可以獨立調度的基本單位。

1.1 系統為進程進行的操作

創建進程 、撤消進程 、進程切換?
進程作為資源的擁有者和系統的調度對象，需要花費系統較大的額外開銷。因此，系統中同時存在的進程數目不宜過多，進程切換的頻率也不宜過高，而這也就限制了并發度的進一步提高。

1.2 由進程到線程

目標：既能提高進程并發度，又能降低系統的額外開銷。
實現：將進程的資源申請和調度屬性分開。即進程作為資源的申請和擁有者，但不作為調度的基本單位。這樣，就產生了線程的概念。線程是進程中的一個實體，是獨立調度和分派的基本單位。線程自身基本上不擁有系統資源，只擁有少許運行中必不可少的私有資源。線程可與同屬一個進程的其它線程共享進程的全部資源。
進程中的所有線程共享該進程的狀態。
線程具有三種基本狀態：就緒、執行和阻塞。
線程一般不具有掛起狀態，因為線程共享進程的資源，包括存儲空間，如果掛起一個進程，其所屬的全部進程必將被掛起。而單獨掛起某進程中的一個線程，必然會影響同一進程中的其它線程的執行，這是沒有任何意義的。
一個進程可以創建和撤消一個或多個線程，同一進程中的多個線程可以并發執行。

1.3 對線程的操作

A.派生(Spawn)，當系統創建一個進程時，同時也為該進程派生一個線程，同一進程中的線程可以再派生其它線程。
B.阻塞(Block)，當線程需要等待某事件時，它將被阻塞，釋放處理機執行其它線程。【注意，線程阻塞不一定會引起整個進程的阻塞，否則，引入線程帶來的并發性就不會提高】 C.解除阻塞(Unblock)，當線程的阻塞事件發生，其狀態轉換為就緒，并插入到就緒隊列，等待調度執行。
D.結束(Finish)，當線程執行完畢，釋放其私有資源。

2.比較進程與線程

傳統操作系統中，一個進程可以創建一個線程， 如MS DOS就是一個單用戶、單進程、單線程的操作系統，UNIX是一個多用戶、多進程、單線程的操作系統。
現代操作系統和軟件設計大多支持多線程運行。例如，Java虛擬機是一個單進程、多線程的運行環境，Windows系列操作系統和Linux操作系統都采用了多進程、多線程技術。

2.1 調度情況

傳統操作系統中，進程既是擁有資源的基本單位，又是獨立調度的基本單位。引入線程的操作系統中，線程是獨立調度的基本單位，進程是資源擁有的基本單位，從而可以顯著地提高系統的并發程度。同一進程中的線程間切換不會引起進程切換【進程切換會造成大量系統開銷（保存進程上下文），而切換線程不會】，但當一個進程中的線程切換到另一進程中的線程時，將會引起進程切換。

2.2 并發

進程之間可以并發執行
同屬于一個進程的多個線程之間，亦可并發執行【思考：不同進程的線程是否可以并發進行？】
因而使操作系統具有更好的并發性，從而能更有效地使用系統資源和提高系統吞吐量。
例題：在一個未引入線程的單處理機操作系統中，若僅設置一個文件服務進程，當它由于某種原因而被阻塞時，便沒有其它的文件服務進程來提供服務。
引入線程以后，可以在一個文件服務進程中設置多個服務線程，當第一個線程阻塞時，文件服務進程中的第二個線程可以繼續運行；當第二個線程阻塞時，第三個線程可以繼續執行，從而顯著地提高了文件服務的質量和系統吞吐量。?

2.3 擁有資源

進程是擁有資源的獨立單位，它有權申請系統的各類資源。
線程除了擁有很少的私有資源以外，不能申請系統資源，可以共享其所屬進程的資源。即，進程的代碼段、數據段以及系統資源，如已打開的文件、I／O設備等，都可被其內的所有線程共享。

2.4 系統開銷

操作系統管理進程的開銷顯著地大于管理線程所需的開銷。
進程切換的開銷也遠大于線程切換的開銷。
由于同一進程中的多個線程具有相同的地址空間，使它們之間的同步和通信也比較容易。
有些類型的線程切換、同步和通信都無需操作系統內核的干預。

3.線程的類型

線程可以分為用戶級線程和內核級線程。

3.1 用戶級線程?

由于系統內核不知道用戶級線程的存在，其調度針對進程進行。
當某進程被調度執行時，線程庫即開始工作，可以調用spawn例程派生一個從屬于該進程的新線程，并為之建立相應的數據結構。或者啟動線程調度例程，調度該進程中的某個就緒線程執行。當執行線程需要阻塞等待某事件時，線程被中斷，需要保護包括用戶寄存器內容、程序計數器和棧指針等上下文信息。如果進程的時間片還未用完，線程調度例程繼續調度同一進程中的其它就緒線程。如果需要切換進程，其內的所有線程都不再執行。
例1： 用戶級線程阻塞是否會引起整個進程阻塞呢？
這要視具體情況而定。當某進程中的一個線程需要等待另一線程的輸出數據而阻塞時，整個進程并不會阻塞。即進程保持執行狀態，其內的某個線程也是執行狀態。當某線程因為I/O阻塞時，內核需要啟動系統I/O，控制從用戶級轉到系統內核級，這時常會引起整個進程阻塞。隨即將發生進程切換，進程調度程序重新調度另一個就緒進程執行。?
例2： 用戶級線程能節省大量的系統額外開銷，并提高程序并發性。為什么？
線程的管理和控制僅在用戶級進行，線程切換無須內核干預，沒有模式切換，減少了模式切換的開銷。調度更靈活。應用程序可以根據需要選用線程庫中不同的線程調度算法，而不受系統內核進程調度程序的約束。由于線程庫獨立于系統內核，可以運行在不同的操作系統之上，使用戶級線程可以得到不同操作系統的支持，而無須修改操作系統內核。?
劣勢： 由于很多操作系統的系統調用都會引起阻塞，用戶級線程中的系統調用常常會引起線程及整個進程阻塞，削弱了線程的并發性。由于系統內核不知用戶級線程的存在，可能出現進程切換時，強行中斷其內某個執行線程的情況。很難實現不同進程的線程并發。

3.2 內核級線程

內核級線程的管理全由系統內核完成，應用程序無權進行線程切換等操作，系統為應用程序提供了相應的應用程序編程接口API【俗稱：手動分線程】。
Windows2000、Linux和OS/2等操作系統即采用內核級線程技術
系統內核負責內核級線程的創建、撤消、切換等操作。應用程序可以設計成多線程程序，多個線程同屬于一個進程。系統以線程為調度單位。
進行線程切換時，需要同時保存整個進程的上下文以及線程的上下文信息。這樣，當進程中的某個線程阻塞時，內核可以調度另一個就緒線程執行（同一進程或不同進程）。線程切換時需要進行模式切換。?

總結

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