线程
线程
引例
比如我们要编写一个看的视频软件。要实现的功能有：
- 从视频文件中读取数据。
- 对读取的数据解压缩。
- 把解压缩后的视频播放出来。
对于单进程的程序而言，会有如下实现方式：
但是这个方法存在问题：
- 播放出来的视频和声音会不连贯，因为当CPU计算能力不够强的时候，Read进程就可能阻塞了，这样需要等半天才能将数据解压，播放。
- 各线程直接不能并发进行，影响资源利用率。
对于多进程的程序而言，会有如下实现方式：
但是这个方法仍然存在问题：
- 进程之间应该如何通信？
- 系统维护进程的开销比较大，如创建进程时需要分配资源，初始化PCB。终止进程时需要释放资源，删除PCB。
那到底如何解决呢？我们需要一种新的实体，这个实体满足：
- 实体之间共享数据和资源。
- 实体之间可以并发运行。
这个新的实体就是线程，线程直接可以并发执行。
什么是线程，为什么要引入线程？
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。引入线程之后，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）
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）。线程则作为处理机的分配单元。
引入线程机制后，有什么变化？
- 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，系统开销不是很大
- 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小。
线程特点
- 线程是处理机调度的单位。
- 多CPU计算机中，各个进行可占用不同的CPU
- 每个线程多有一个线程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数据资源。
- 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。
- 切换同进程内的线程，系统开销很小。
- 切换进程，系统开销很大。
多线程模型
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。多线程可以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，需要切换到内核态，线程管理的成本高，开销大。
多对一模型
多个用户级线程映射到一个内核级线程，且一个线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。
多对多模型
多对多模型：n用户级及线程映射到m个内核级线程(n >= m)。每个用户进程对应m个内核级线程。克服了一对一模型线程调度消耗大和多对一模型并发度不高的缺点。
线程的实现
用户级线程
早期的操作系统只支持进程，不支持线程。当时的线程是由线程库实现的。
- 用户级线程应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）
- 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
- 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并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。
优点：
- 系统开销小，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。线程管理系统开销小，效率高。
缺点：
- 当一个用户级线程被阻塞后，这个进程就会被阻塞，并发度不高。多个线程不能再多核处理机上运行。
内核级线程
线程的管理工作由谁来完成？
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、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要早内核态下才能完成。
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进程建立相应的TCB，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，因此线程管理成本高，开销大。
总结
- 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。
- 内核级线程是处理调度的基本单位。只有内核级线程被CPU执行，内核级线程所映射的用户级线程在会被执行。只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都被阻塞是，这个进程才会被阻塞。
线程的状态与转换
- 线程创建之后由创建态变为就绪态。
- 线程如果被调度程序选中，就会上处理运行，线程由就绪态变为运行态。
- 如果线程在运行过程中需要等待IO事件发生，线程会由运行态变为阻塞态，下处理机。如果IO事件发生，线程会由阻塞态变为就绪态，等待被调度程序选中。
- 如果线程的时间片用完，线程会由运行态变为就绪态，下处理机。
线程的组织和控制
