Thread

线程

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。线程也常被称为轻量级进程。

引入线程后：

对象	主要角色
进程	系统资源分配单位，例如地址空间、打开文件、I/O 资源
线程	处理机调度和分配单位

同一进程内的线程共享进程资源，例如地址空间、全局变量、打开文件等；但每个线程有自己的执行现场，例如线程 ID、程序计数器、寄存器、栈等。

线程和进程

角度	进程	线程
资源拥有	拥有独立地址空间和资源集合	共享所属进程资源
调度单位	传统系统中是调度单位	引入线程后成为基本调度单位
切换开销	切换地址空间和资源环境，开销较大	同进程内线程切换开销较小
通信	进程间地址空间隔离，需要 IPC	同进程线程共享地址空间，通信更方便
影响范围	一个进程崩溃通常不直接破坏其他进程	一个线程错误可能破坏同进程共享数据

同一进程内线程切换成本较低，是因为很多资源环境不需要更换；但线程共享地址空间，也意味着共享数据更容易发生竞争，后面同步与互斥会专门处理这个问题。

用户级线程

用户级线程 ULT，User-Level Thread，由应用程序和线程库管理。操作系统内核不知道这些线程的存在。

问题	用户级线程
谁管理线程	用户态线程库
切换是否进入核心态	不需要
内核是否看得见	看不见，只看到所属进程
阻塞影响	一个用户级线程阻塞，可能导致整个进程阻塞
多核并行	同一进程内多个用户级线程不能真正同时运行在多个 CPU 核上

用户级线程切换快，因为不需要进入内核态。但内核只把整个进程当作调度单位：如果该进程因为一个线程执行阻塞系统调用而阻塞，对操作系统来说就是这个进程发生了阻塞，所以线程库中的其他用户级线程也可能一起停住。

内核级线程

内核级线程 KLT，Kernel-Level Thread，由操作系统内核支持和管理。内核为线程建立 TCB，Thread Control Block，即线程控制块。

问题	内核级线程
谁管理线程	操作系统内核
切换是否进入核心态	需要
内核是否看得见	看得见，内核维护 TCB
阻塞影响	一个线程阻塞，同进程其他线程仍可运行
多核并行	多个线程可以在多核处理机上并行

内核级线程并发能力强，但线程创建、撤销、切换等工作需要内核参与，系统开销比用户级线程更大。

Important

操作系统只看得见内核级线程。因此，在支持内核级线程的系统中，真正作为处理机分配单位的是内核级线程。

# 多线程模型

用户级线程和内核级线程之间可以有不同映射关系。

模型	映射	优点	缺点
多对一	多个用户级线程映射到一个内核级线程	用户态切换快，管理开销小	一个线程阻塞可能阻塞整个进程，不能利用多核并行
一对一	每个用户级线程映射到一个内核级线程	一个线程阻塞不影响其他线程，可多核并行	内核级线程数量多，管理开销大
多对多	$n$ 个用户级线程映射到 $m$ 个内核级线程，且 $n \ge m$	兼顾并发度和内核开销	实现复杂

多对多模型可以这样理解：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。一段线程代码只有映射到某个内核级线程并获得 CPU，才真正向前执行。

线程状态

线程也有类似进程的运行状态，例如就绪、运行、阻塞。区别在于，线程状态更强调执行流是否能获得 CPU；进程状态还涉及资源分配和地址空间等更大范围的管理。

在内核级线程系统中，调度程序通常围绕线程做调度；进程则作为线程共享资源的容器存在。