(二)进程与线程:2线程[os]

2.2.1 线程的使用

在传统操作系统中，每个进程有一个地址空间和一个控制线程。事实上，这几乎就是进程的定义。不过，经常存在在同一个地址空间中准井行运行多个控制线程的情形，这些线程就像（差不多）分离的进程（共享地址空间除外）。

在早期的操作系统中都是以进程作为独立运行的基本单位，直到后面，计算机科学家们又提出了更小的能独立运行的基本单位，也就是线程。

我们举个例子，假设你要编写一个视频播放器软件，那么该软件功能的核心模块有三个：

从视频文件当中读取数据；
对读取的数据进行解压缩；
把解压缩后的视频数据播放出来；

对于单进程的实现方式，我想大家都会是以下这个方式：

对于单进程的这种方式，存在以下问题：

播放出来的画面和声音会不连贯，因为当 CPU 能力不够强的时候，Read 的时候可能进程就等在这了，这样就会导致等半天才进行数据解压和播放；
各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率；

那改进成多进程的方式：

对于多进程的这种方式，依然会存在问题：

进程之间如何通信，共享数据？
维护进程的系统开销较大，如创建进程时，分配资源、建立 PCB；终止进程时，回收资源、撤销 PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息；

那到底如何解决呢？需要有一种新的实体，满足以下特性：

实体之间可以并发运行；
实体之间共享相同的地址空间；

这个新的实体，就是线程( Thread )，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。

2.2.2 线程与进程的比较

线程是进程当中的一条执行流程。

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

假设用户正在写一本书。从作者的观点来看，最容易的方法是把整本书作为一个文件，这样一来，查询内容、完成全局替换等都非常容易。另一种方法是，把每一立都处理成单独一个文件。但是，在把每个小节和子小节都分成单个的文件之后，若必须对全书进行全局的修改时，那就真是麻烦了，因为有成百个文件必须一个个地编辑。例如，如果所建议的某个标准XX XX正好在书付印之前被批准了，千是“标准草案XXXX"一类的字眼就必须改为“标准XXXX n。如果整本书是一个文件，那么只要一个命令就可以完成全部的替换处理。相反，如果一本书分成了300个文件，那么就必须分别对每个文件进行编辑。

现在考虑，如果有一个用户突然在一个有800页的文件的第一页上删掉了一个语句之后，会发生什么情形。在检查了所修改的页面并确认正确后，这个用户现在打算接着在第600页上进行另一个修改，并键入一条命令通知字处理软件转到该页面（可能要查阅只在那里出现的一个短语）。千是字处理软件被强制对整本书的前600页重新进行格式处理，这是因为在排列该页前面的所有页面之前，字处理软件并不知道第600页的第一行应该在哪里。而在第600页的页面可以真正在屏幕上显示出来之前，计算机可能要拖延相当一段时间，从而令用户不甚满意。

例如，电子表格是允许用户维护矩阵的一种程序，矩阵中的一些元素是用户提供的数据，另一些元素是通过所输入的数据运用可能比较复杂的公式而得出的计箕结果。当用户改变一个元素时，许多其他元素就必须重新计算。通过一个后台线程进行重新计箕的方式，交互式线程就能够在进行计算的时候，让用户从事更多的工作。类似地，第三个线程可以在磁盘上进行周期性的备份工作。

线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

所以，所谓操作系统的任务调度，实际上的调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

对于线程和进程，我们可以这么理解：

当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程；
当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的；

另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

2.2.3 线程模型

或者称之为线程的实现方式

有两种主要的方法实现线程包：在用户空间中和在内核中。这两种方法互有利弊，不过混合实现方式也是可能的。

1 在用户空间中实现线程

第一种方法是把整个线程包放在用户空间中，内核对线程包一无所知。

从内核角度考虑，就是按正常的方式管理，即单线程进程。

可以用函数库实现线程。

使用pthread库

线程在一个运行时系统的上层运行，该运行时系统是一个管理线程的过程的集合。其中的四个过程：pthread_create, ptbcead_exit, pthread_join和pthread_;yield。不过一般还会有更多的过程。

用户线程的优点：

每个进程都需要有它私有的线程控制块（TCB）列表，用来跟踪记录它各个线程状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB 由用户级线程库函数来维护，可用于不支持线程技术的操作系统；
用户线程的切换也是由线程库函数来完成的，无需用户态与内核态的切换，所以速度特别快；
它允许每个进程有自己定制的调度算法

例如，在某些应用程序中，那些有垃圾收集线程的应用程序就不用担心线程会在不合适的时刻停止，这是一个长处。用户级线程还具有较好的可扩展性，这是因为在内核空间中内核线程需要一些固定表格空间和堆栈空间，如果内核线程的数朵非常大，就会出现问题。

用户线程的缺点：

由于操作系统不参与线程的调度，如果一个线程发起了系统调用而阻塞，那进程所包含的用户线程都不能执行了。

假设在还没有任何击键之前，一个线程读取键盘。让该线程实际进行该系统调用是不可接受的，因为这会停止所有的线程。使用线程的一个主要目标是，首先要允许每个线程使用阻塞调用，但是还要避免被阻塞的线程影响其他的线程。
如果一个线程开始运行，那么在该进程中的其他线程就不能运行，除非第一个线程自动放弃CPU。因为用户态的线程没法打断当前运行中的线程，它没有这个特权，只有操作系统才有，但是用户线程不是由操作系统管理的。

在一个单独的进程内部，没有时钟中断，所以不可能用轮转调度（轮流）的方式调度线程。除非某个线程能够按照自己的意志进入运行时系统，否则调度程序就没有任何机会。
由于时间片分配给进程，故与其他进程比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会比较慢；