操作系统（十二）线程的实现方式、多线程模型

2.1.6 线程的实现方式、多线程模型

2.1.6.1 线程的实现方式

2.1.6.2 多线程模型

2.1.6.1 线程的实现方式

线程已在许多系统中实现，但各系统的实现方式并不完全相同。在有的系统中，特别是一些数据库管理系统，所实现的是用户级线程；而另一些系统所实现的是内核级线程；还有一些系统如 Solaris 操作系统，则同时实现了这两种类型的线程。

用户级线程：在早期的操作系统中只支持进程还不支持线程，线程这一功能的实现是采取代码书写的线程库来实现的。

在这时，“线程”其实就是一行行代码，线程库的实现就类似于代码的调用，因此此时的用户级线程就运行在用户态中。下面这个代码中while语句的作用实际就相当于线程库。

int main(){int num;while(true){if(num==1){线程1;}if(num==2){线程2;}if(num==3){线程3;}}
}

根据上面这种图我们可以看出，用户级线程的管理工作（创建，切换，撤销等）均有应用程序来完成，不需要操作系统的介入。从用户的角度来看，确实可以感受到多个线程的存在（因为有直观的代码逻辑），但是在操作系统看来，操作系统并意识不到有多个用户级线程的存在。所以，“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”。

这种用户级线程的优点十分明显：进程切换较快，线程管理的系统开销较小，效率高。但是如果某一线程被阻塞了，那么整个进程都会停滞不前，而且因为用户级线程是用代码书写的所以这些代码不能在多核处理机上并发，只能在一个处理及上执行，这也是用户级线程的一个缺点。

内核级线程：无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，他们的创建、撤消和切换等也是依靠内核，在内核空间实现的。

相较于用户级线程，从下图中我们可以看到：内核级线程的管理工作（创建，切换，撤销等）均有操作系统内核来完成，所以内核级线程的切换必须进入核心态才能完成。每个内核级线程都会有一个TCB（Thread Control Block，线程控制块），通过TCB操作系统可以对内核级线程进行管理，所以，“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”。 与用户级线程的优缺点正好相反，内核级线程的缺点是进程切换较慢，线程管理的系统开销较大。同时如果某一线程被阻塞了，别的线程可以继续并发执行，同时不同的线程还可以进入不同的处理机运行，这是他的优点。

2.1.6.2 多线程模型

一对一模型：该模型是为每一个用户线程都设置一个内核控制线程与之连接，当一个线程阻塞时，允许调度另一个线程运行。在多处理机系统中，则有多个线程并行执行。该模型并行能力较强，但每创建一个用户线程相应地就需要创建一个内核线程，开销较大，因此需要限制整个系统的线程数。

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

该模型的主要优点是线程管理的开销小，效率高；但当一个线程在访问内核时发生阻塞，则整个进程都会被阻塞，而且在多处理机系统中，一个进程的多个线程无法实现并行。

这里我们需要知道：操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

多对多模型：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。

对于这个多对多模型，一个线程阻塞并不会引起整个进程阻塞，只有这两个线程同时阻塞才会将进程阻塞，因此多对多线程模型的并发性较好。因为内核级线程才是处理机分配的基本单位，所以这个多对多模型最多被分配两个处理机。