线程 介绍、分类、多线程
一、介绍1. 进程与线程2. 多线程3. 线程的功能
二、线程分类1. 用户级线程2. 内核级线程3. 其他方案
三、多核 & 多线程
一、介绍
进程中有两个重要概念：资源所有权、执行，因这一区别，许多操作系统中出现了称为 线程 的结构。 线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。
1. 进程与线程
进程 两个特点：
资源所有权： 进程包括存放进程映像的虚拟地址空间。进程总具有对资源（内存、I/O 通道设备、文件）的控制权 / 所有权。操作系统提供预防进程间发生不必要资源冲突的保护功能。调度 / 执行： 进程执行时采用一个或多程序的执行路径 (轨迹)，不同进程的执行过程会交替进行。因此，进程 具有多种状态、优先级，是可被调度的实体。
这两个特点相互独立，操作系统可分别进行处理。为区分它们，我们通常将分派的单位称为 线程 / 轻量级进程 (Light Weight Process, LWP)，而将拥有 资源所有权的单位称为 进程 (Process) 或 任务 (Task)。
2. 多线程
多线程是指操作系统在单个进程内支持多个并发执行路径的能力。
在多线程环境中，进程定义为资源分配单元 和 一个保护单元：
进程相关的有：
容纳进程映像的虚拟地址空间。对处理器、其他进程、文件、I/O 资源的受保护访问。
每个线程都有：
一个线程执行状态未运行时保存的线程上下文执行栈存储局部变量的静态存储空间线程间共享的内存、资源的访问
单线程、多线程进程模型：
比较性能，线程的优点如下：开销小！耗时短！效率高！
在已有的进程中创建一个新线程的时间，远少于创建一个全新进程的时间。终止线程要比终止进程花费时间少。统一进程内线程切换时间，少于进程间切换时间。线程提高了不同执行程序的通信效率。
因此，一个应用程序实现，用一组线程比一组分离的进程更有效。
在单处理器上使用线程结构，可简化逻辑上从事几种不同的工作程序、结构。
线程的常见应用：
前台和后台工作异步处理执行速度（分治计算）模块化应用设计
在支持线程的操作系统中，调度、分派是在线程基础上完成的，因此大多数执行相关的信息可以保存在线程级别的数据结构中。
3. 线程的功能
类似于进程，线程 也具有执行状态，且可彼此同步。 线程状态 线程的主要状态有 运行态、就绪态、阻塞态。因为线程依附于进程，挂起态对线程没有意义。
有 4 种与线程状态改变相关操作：
派生： 派生新进程时，同时也会为其派生一个线程，进程中的线程可以派生另一个线程，为其提供相关参数并放入就绪队列中。阻塞： 等待事件时会被阻塞（保存线程的用户寄存器、程序计数器、栈指针），处理器执行另一个就绪线程。解除阻塞： 发生阻塞事件时，线程会转入就绪队列。结束： 一个线程 完成后，会释放其寄存器上下文、栈。
二、线程分类
线程 分为两大类，即用户级线程（User-Level Thread, ULT）和 内核级线程（Kernal-Level Thread, KTL），后者又称为内核支持的线程 / 轻量级进程。
1. 用户级线程
纯 ULT 软件中，管理线程的所有工作都由应用程序完成，内核意识不到线程的存在。
任何应用程序都可使用线程库设计成多线程程序，线程库是管理用户级线程的一个例程包，它含有创建 / 销毁线程的代码、在线程间传递消息和数据的代码、调度执行代码、保存 / 恢复线程上下文的代码。
用户级线程状态、进程状态间关系： 下面我们阐述线程调度、进程调度的关系：
我们以上图关系为例，分析线程、进程间状态关系：
线程阻塞进程：线程2 代码产生一个阻塞进程的系统调用，控制权交给内核，随后内核执行相应操作，把进程B置为阻塞态，并切换至另一个进程。在此期间，根据线程库维护的数据结构，此时 线程2 仍处于运行态。
时钟中断 ：时钟中断将控制权交给内核，内核确定当前正在运行的 进程B 用完其时间片，内核将进程置于就绪态并切换至另一个进程。同时，线程库维护数据结构中，线程2 仍处于运行态。 进程内线程切换 ：线程2 运行到需要 线程1 执行某个动作的时刻，此时 线程2 阻塞，线程1 从就绪态 转为运行态，进程自身仍在运行态。
纯 ULT 方案 优点：
所有线程数据结构都在一个进程地址空间内，切换避免两次模式 (用户、内核) 转换，节省开销。调度可为应用程序定做调度算法（基于优先级 / 简单轮转）。可在任何操作系统中运行，无需修改底层内核。
纯 ULT 方案 缺点：
部分操作系统中，系统调用会引起阻塞。不能利用多处理技术，即同时执行部分代码，取代应用级线程多道程序设计。
2. 内核级线程
在纯 KLT 软件中，管理线程的所有工作均由内核完成。应用级没有线程管理代码，只有一个到内核线程设施的应用编程接口（API）。
这种方案内核为进程、内部线程维护上下文。 首先，内核可以同时把同一个进程中的多个线程调度到多个处理器中。 其次，进程中的一个线程被阻塞时，内核可以调度同一个进程中的另一个线程。 且内核例程自身也可以是多线程的。
KLT 主要缺点：控制权在线程间转移时，需切换到内核模式。
操作用户级线程内核级线程进程Null Fork (派生开销)3494811300Signal Wait (同步时间)374411840
混合方法：
3. 其他方案
线程 : 进程描述实例系统1 : 1执行的每个线程是唯一的进程，他有自己的地址空间和资源。传统UNIXM : 1一个进程顶定义了一个地址空间、动态资源所有权。可在该进程中创建、执行多个进程。Windows NT、Solaris、Linux, OS/2、OS/390、MACH1 : M一个线程可以在进程环境间迁移，允许线程在不同系统中移动。Ra(Clouds)、EmeraldM : N结合了1 : M和M : 1的属性TRIX
多对多关系： TRIX操作系统有两个重要概念：域、线程：
域： 静态实体，包括一个地址空间、发送 / 接收消息的端口线程： 执行路径，含有执行栈、处理状态、调度信息
多个线程可在一个域中执行，多个域也可使用一个线程，线程可在域之间移动。
一对多关系：
在分布式操作系统中，线程可在地址空间中作为实体移动。在以 Ra 为内核的 Clouds 操作系统，从用户角度来看，线程是一个活动单元，进程是一个带有相关进程控制块的虚拟地址空间。线程创建后，会通过调用该进程中一个程序的入口点，开始在进程中执行。线程可在地址空间之间转移，甚至跨越机器边界。
另一个著名的例子是Emerald操作系统。
三、多核 & 多线程
多核系统上的软件性能 多核组织结构带来的性能提升，取决于应用程序有效利用并行资源的能力。
Amdahl定律：
加
速
比
=
单
个
处
理
器
执
行
时
间
在
N
个
并
行
处
理
器
上
执
行
时
间
=
1
(
1
−
f
)
+
f
/
N
加速比 = \frac{单个处理器执行时间}{在N个并行处理器上执行时间}=\frac{1}{(1 - f) + f / N}
加速比=在N个并行处理器上执行时间单个处理器执行时间=(1−f)+f/N1 该定律假设程序执行时间的 (1 - f) 分之一所涉及的代码本质上是串行的，其余 f 分之一所设计的代码时无限并行的，并且没有调度开销。