5. 线程
1. 线程的定义 & 引入的原因
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，传文件等等）
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）；线程作为处理机的分配单元。
引入线程后的变化：
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
引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
并发性
传统进程机制中，只能进程间并发
引入线程后，各线程之间也能并发，提升了并发度
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
线程间并发，如果是同一个进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小
引入线程后，并发所带来的系统开销减小
2. 线程的属性
线程是处理机调度的单位
多 CPU 计算机中，各个线程可占用不同的 CPU
每个线程都有一个线程 ID，线程控制块 TCB
线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
线程几乎不拥有系统资源
同一进程的不同线程间共享进程的资源
由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
不同进程中的线程切换，会引起进程切换
切换进程内的线程，系统开销很小
切换进程，系统开销很大
3. 线程实现方式
3.1 用户级线程（User-Level Thread，ULT）
通过程序员实现的线程库来实现多线程
四个问题
线程的管理工作由谁负责？
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）
线程切换是否需要 CPU 变态？
用户级线程中，线程切换可以在用户态下完成，无需操作系统的干涉
操作系统是否能意识到用户级线程的存在？
在用户看来，是有多个线程，但是操作系统内核看来，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”
这种线程的实现方式有什么优点和缺点？
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。多个线程不可在多核处理机上并行运行
3.2 内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT）
四个问题
线程的管理工作由谁负责？
内核级线程的管理工作由操作系统内核完成
线程切换是否需要 CPU 变态？
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
操作系统是否能意识到内核级线程的存在？
操作系统会为每个内核级线程建立相应的 TCB（Thread Control Block，线程控制块），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”
这种线程的实现方式有什么优点和缺点？
优点：当一个用户级线程被阻塞后，其他线程还可以继续执行，并发度高。多个线程可在多核处理机上并行运行
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，因此线程管理的成本高，开销大
4. 多线程模型
4.1 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：当一个用户级线程被阻塞后，其他线程还可以继续执行，并发度高。多个线程可在多核处理机上并行运行
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，因此线程管理的成本高，开销大
4.2 多对一模型
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
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。多个线程不可在多核处理机上并行运行
重点：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
4.3 多对多模型
多对多模型：n 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
克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞），又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点
理解：
用户级线程是“代码逻辑”的载体
内核级线程是“运行机会”的载体（内核级线程才是处理机分配的单位）
一段“逻辑代码”只有获得了“运行机会”才能被 CPU 执行
内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞
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