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2.1_6 线程的实现方式和多线程模型

（一）线程的实现方式

（1）用户级线程

  用户级线程（User-Level Thread，ULT）。

  历史背景：早期的操作系统（如：早期Unix）只支持进程，不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的。

  以进程的方式实现逻辑上的线程，线程其实就是进程中的一段代码逻辑。很多编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建、销毁、调度等功能。

问题：

  1.线程的管理工作由谁来完成？

  由于线程只是逻辑上的，实际上还是进程。因此“线程”的管理工作不是由操作系统完成的。是由线程库完成的。

  2.线程切换是否需要CPU变态？（用户态、内核态的转换）

  “线程”只是进程程序中的一段逻辑代码来实现的“逻辑上的线程”，“线程的切换”只是应用程序执行代码逻辑的一个过程（如下图所示），只是在用户态下就能进行进程的切换工作，并不需要操作系统的干涉。

  3.操作系统是否能意识到用户级线程的存在？

  显然，操作系统只能意识到有这个进程的存在。而在这个进程内部，你的代码是如何通过逻辑代码实现“线程”的，操作系统是意识不到这些“线程”的存在的。

  这也是为什么它叫“用户级线程”，就是因为这种线程是只有用户能感受的到，而操作系统感知不到这种线程的存在。

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：

  1.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。

  如下图，如果{处理视频聊天的代码;}被阻塞，那么后续的其他“用户级线程”都将得不到执行。

  2.多个线程不可在多核处理机上并行运行。

  它只是逻辑上的线程，实际上还只是进程机制，因此CPU调度的基本单位仍然是进程。

（2）内核级线程

  内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT），又称“内核支持的线程”。是从操作系统视角也可以感知到的线程。

  大多数现代操作系统都实现了内核级线程，如Windows、Linux。

  随着操作系统的发展，由操作系统支持的线程，就叫内核级线程。

问题：

  1.线程的管理工作由谁来完成？

  当然是由操作系统内核来完成。

  2.线程切换是否需要CPU变态？

  既然这些内核级线程是由操作系统管理的，那么它们之间的切换肯定是要由操作系统介入的。因此，在进行线程切换的时候，当然要由用户态转为内核态，在内核态下才能完成内核级线程的转换。

  3.操作系统是否能意识到内核级线程的存在？

  能。

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，因此线程管理的成本高，开销大。

（二）多线程模型

  既然“用户级线程”和“内核级线程”都各有优缺点，那么我们不妨将二者结合起来，吸收两者各自的优点。

  例如，可以在内核级线程的机制下，仍然引入线程库，从而使得多个用户级线程映射到一个内核级线程上。

  而映射的方式也不只此一种。根据映射关系不同，可以分为几种模型。

  在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型。

（1）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。（因为线程是处理机分配的最小单位）

  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。（只要涉及CPU频繁变态，开销就比较大）

（2）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。

  如果是这种模型，其实就已经退化到纯粹的“用户级线程”那种实现模式了。

  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。

注意：

  既然有“内核级线程”的存在，那么在这种模式下，处理机分配的最小单位就是“内核级线程”。同时，操作系统的视角也只能感知到“内核级线程”。对于“用户级线程”，并不是处理机分配的单位，操作系统也感知不到。

（3）多对多模型

  n个用户级线程映射到m个内核级线程（$n\ge m$）。

  每个用户进程对应m个内核级线程。

  它克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞，全体阻塞）。

  它又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级进程，开销太大的缺点。

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。

  内核级线程才是处理机分配的单位。例如：多核CPU环境下，上图这个进程最多能被分配两个核。

  一段“代码逻辑”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代码，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。

  这可以让我们的线程管理有更多的灵活性，例如上图中，如果某一时间段，“视频聊天”需要耗费比较多的系统资源的话，那么我们可以让左边那个内核级线程专门来执行“视频聊天”的功能，而右边那个内核级线程可以让它并发执行“文字聊天”、“文件传输”的功能。如果过了一会儿，“文件传输”需要耗费较多系统资源，则同理。

总结