為什么需要線(xiàn)程?

如果非要說(shuō)是為什么需要線(xiàn)程，還不如說(shuō)為什么需要進(jìn)程中還有其它進(jìn)程。這些進(jìn)程中包含的其它迷你進(jìn)程就是線(xiàn)程。

線(xiàn)程之所以說(shuō)是迷你進(jìn)程，是因?yàn)榫€(xiàn)程和進(jìn)程有很多相似之處，比如線(xiàn)程和進(jìn)程的狀態(tài)都有運(yùn)行，就緒，阻塞狀態(tài)。這幾種狀態(tài)理解起來(lái)非常簡(jiǎn)單，當(dāng)進(jìn)程所需的資源沒(méi)有到位時(shí)會(huì)是阻塞狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)程所需的資源到位時(shí)但CPU沒(méi)有到位時(shí)是就緒狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)程既有所需的資源，又有CPU時(shí)，就為運(yùn)行狀態(tài)。

下面我們來(lái)看一個(gè)具體的例子：

就拿我寫(xiě)博客的LiveWriter來(lái)說(shuō)，LiveWriter需要監(jiān)聽(tīng)我打字輸入的狀態(tài)，還需要每隔5分鐘對(duì)草稿進(jìn)行自動(dòng)保存。假設(shè)如果這個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)線(xiàn)程的話(huà)，那么當(dāng)對(duì)草稿進(jìn)行保存時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)需要訪問(wèn)硬盤(pán)，而訪問(wèn)硬盤(pán)的時(shí)間線(xiàn)程是阻塞狀態(tài)的，這時(shí)我的任何輸入都會(huì)沒(méi)有響應(yīng)，這種用戶(hù)體驗(yàn)是無(wú)法接受的，或許我們可以通過(guò)鍵盤(pán)或者鼠標(biāo)的輸入去中斷保存草稿的過(guò)程，但這種方案也并不討好。而使用多線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程僅僅需要處理自己那一部分應(yīng)該完成的任務(wù)，而不用去關(guān)心和其它線(xiàn)程的沖突。因此簡(jiǎn)化了編程模型。如圖1所示。

圖1.兩條線(xiàn)程滿(mǎn)足各自的功能

更具體的說(shuō)，線(xiàn)程的好處如下:

1.在很多程序中，需要多個(gè)線(xiàn)程互相同步或互斥的并行完成工作，而將這些工作分解到不同的線(xiàn)程中去無(wú)疑簡(jiǎn)化了編程模型。

2.因?yàn)榫€(xiàn)程相比進(jìn)程來(lái)說(shuō)，更加的輕量，所以線(xiàn)程的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀的代價(jià)變得更小。

3.線(xiàn)程提高了性能，雖然線(xiàn)程宏觀上是并行的，但微觀上卻是串行。從CPU角度線(xiàn)程并無(wú)法提升性能，但如果某些線(xiàn)程涉及到等待資源（比如IO，等待輸入）時(shí)，多線(xiàn)程允許進(jìn)程中的其它線(xiàn)程繼續(xù)執(zhí)行而不是整個(gè)進(jìn)程被阻塞，因此提高了CPU的利用率，從這個(gè)角度會(huì)提升性能。

4.在多CPU或多核的情況下，使用線(xiàn)程不僅僅在宏觀上并行，在微觀上也是并行的。

這里值得注意的是，上面的兩個(gè)線(xiàn)程如果改成兩個(gè)進(jìn)程，那么達(dá)不到所要的效果，因?yàn)檫M(jìn)程有自己獨(dú)立的內(nèi)存地址空間，而線(xiàn)程共享進(jìn)程的內(nèi)存地址空間。

經(jīng)典線(xiàn)程模型

另一個(gè)看進(jìn)程和線(xiàn)程的角度是進(jìn)程模型基于兩類(lèi)不同的概念：資源的組織和執(zhí)行。在過(guò)去沒(méi)有線(xiàn)程的操作系統(tǒng)中，資源的組織和執(zhí)行都是由進(jìn)程完成的。但區(qū)分這兩者很多時(shí)候需要加以區(qū)分，這也是為什么需要引入線(xiàn)程。

進(jìn)程是用于組織資源的單位，進(jìn)程將相關(guān)的資源組織在一起，這些資源包括：內(nèi)存地址空間，程序，數(shù)據(jù)等，將這些以進(jìn)程的形式組織起來(lái)可以使得操作系統(tǒng)管理這些資源更為容易。

而線(xiàn)程，是每一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行的一個(gè)條線(xiàn)。線(xiàn)程雖然共享進(jìn)程中的大多數(shù)資源，但線(xiàn)程也需要自己的一些資源，比如：用于標(biāo)識(shí)下一條執(zhí)行指令的程序計(jì)數(shù)器，一些容納局部變量的寄存器，以及用于表示執(zhí)行的歷史的棧。

總而言之：進(jìn)程是組織資源的最小單位，而線(xiàn)程是安排CPU執(zhí)行的最小單位。

其實(shí)在一個(gè)進(jìn)程中多個(gè)線(xiàn)程并行和在操作系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程并行非常類(lèi)似，只是線(xiàn)程共享的是地址空間，而進(jìn)程共享的是物理內(nèi)存，打印機(jī)，鍵盤(pán)等資源……

每一個(gè)進(jìn)程和線(xiàn)程所獨(dú)自占有的資源如表1所示。

表1.進(jìn)程和線(xiàn)程所獨(dú)占的資源

其中，線(xiàn)程可以共享進(jìn)程獨(dú)占的資源。

我們常用的術(shù)語(yǔ)“多線(xiàn)程”一般指的是在同一個(gè)進(jìn)程中多個(gè)線(xiàn)程的并發(fā)執(zhí)行。如圖2所示。

圖2.沒(méi)有多線(xiàn)程的系統(tǒng)一個(gè)進(jìn)程只能由一個(gè)線(xiàn)程

在多線(xiàn)程的進(jìn)程中，每個(gè)線(xiàn)程輪流使用CPU，因此實(shí)際上線(xiàn)程并不是并行的，但從宏觀上看，是并行的。

在多線(xiàn)程模型中，每一個(gè)進(jìn)程初始創(chuàng)建時(shí)只有一個(gè)線(xiàn)程。這個(gè)線(xiàn)程可以通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的庫(kù)函數(shù)去創(chuàng)建其它線(xiàn)程。線(xiàn)程創(chuàng)建的線(xiàn)程并必須要為其指定地址，因?yàn)樾碌木€(xiàn)程自動(dòng)在創(chuàng)建它的地址空間內(nèi)工作。雖然一個(gè)線(xiàn)程可以創(chuàng)建另一個(gè)線(xiàn)程，但通常來(lái)講，線(xiàn)程之間是并列的，并不存在層級(jí)關(guān)系。

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程完成其工作后，可以通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)進(jìn)行銷(xiāo)毀。

操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程的幾種模式

在操作系統(tǒng)中，線(xiàn)程可以實(shí)現(xiàn)在用戶(hù)模式下，也可以實(shí)現(xiàn)在內(nèi)核模式下，也可以?xún)烧呓Y(jié)合實(shí)現(xiàn)。

線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)在用戶(hù)空間下

當(dāng)線(xiàn)程在用戶(hù)空間下實(shí)現(xiàn)時(shí)，操作系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)程的存在一無(wú)所知，操作系統(tǒng)只能看到進(jìn)程，而不能看到線(xiàn)程。所有的線(xiàn)程都是在用戶(hù)空間實(shí)現(xiàn)。在操作系統(tǒng)看來(lái)，每一個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)線(xiàn)程。過(guò)去的操作系統(tǒng)大部分是這種實(shí)現(xiàn)方式，這種方式的好處之一就是即使操作系統(tǒng)不支持線(xiàn)程，也可以通過(guò)庫(kù)函數(shù)來(lái)支持線(xiàn)程。

在這種模式下，每一個(gè)進(jìn)程中都維護(hù)著一個(gè)線(xiàn)程表來(lái)追蹤本進(jìn)程中的線(xiàn)程，這個(gè)表中包含表1中每個(gè)線(xiàn)程獨(dú)占的資源，比如棧，寄存器，狀態(tài)等，如圖3所示。

圖3.在用戶(hù)空間中實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程

這種模式當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程完成了其工作或等待需要被阻塞時(shí)，其調(diào)用系統(tǒng)過(guò)程阻塞自身，然后將CPU交由其它線(xiàn)程。

這種的模式的好處，首先，是在用戶(hù)空間下進(jìn)行進(jìn)程切換的速度要遠(yuǎn)快于在操作系統(tǒng)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)。其次，在用戶(hù)空間下實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程使得程序員可以實(shí)現(xiàn)自己的線(xiàn)程調(diào)度算法。比如進(jìn)程可以實(shí)現(xiàn)垃圾回收器來(lái)回收線(xiàn)程。還有，當(dāng)線(xiàn)程數(shù)量過(guò)多時(shí)，由于在用戶(hù)空間維護(hù)線(xiàn)程表，不會(huì)占用大量的操作系統(tǒng)空間。

有好處就有壞處，這種模式最致命的缺點(diǎn)也是由于操作系統(tǒng)不知道線(xiàn)程的存在，因此當(dāng)一個(gè)進(jìn)程中的某一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，比如缺頁(yè)中斷而導(dǎo)致線(xiàn)程阻塞，此時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)阻塞整個(gè)進(jìn)程，即使這個(gè)進(jìn)程中其它線(xiàn)程還在工作。還有一個(gè)問(wèn)題是假如進(jìn)程中一個(gè)線(xiàn)程長(zhǎng)時(shí)間不釋放CPU，因?yàn)橛脩?hù)空間并沒(méi)有時(shí)鐘中斷機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致此進(jìn)程中的其它線(xiàn)程得不到CPU而持續(xù)等待。

線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)在操作系統(tǒng)內(nèi)核中

在這種模式下，操作系統(tǒng)知道線(xiàn)程的存在。此時(shí)線(xiàn)程表存在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，如圖4所示。

圖4.線(xiàn)程在操作系統(tǒng)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)

在這種模式下，所有可能阻塞線(xiàn)程的調(diào)用都以系統(tǒng)調(diào)用(System Call)的方式實(shí)現(xiàn)，相比在用戶(hù)空間下實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程造成阻塞的運(yùn)行時(shí)調(diào)用(System runtime call)成本會(huì)高出很多。當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程阻塞時(shí)，操作系統(tǒng)可以選擇將CPU交給同一進(jìn)程中的其它線(xiàn)程，或是其它進(jìn)程中的線(xiàn)程，而在用戶(hù)空間下實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程時(shí)，調(diào)度只能在本進(jìn)程中執(zhí)行，直到操作系統(tǒng)剝奪了當(dāng)前進(jìn)程的CPU。

因?yàn)樵趦?nèi)核模式下實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的成本更高，一個(gè)比較好的做法是另線(xiàn)程回收利用，當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程需要被銷(xiāo)毀時(shí)，僅僅是修改標(biāo)記位，而不是直接銷(xiāo)毀其內(nèi)容，當(dāng)一個(gè)新的線(xiàn)程需要被創(chuàng)建時(shí)，也同樣修改被“銷(xiāo)毀”的線(xiàn)程其標(biāo)記位即可。

這種模式下同樣還是有一些弊端，比如接收系統(tǒng)信號(hào)的單位是進(jìn)程，而不是線(xiàn)程，那么由進(jìn)程中的哪一個(gè)線(xiàn)程接收系統(tǒng)信號(hào)呢？如果使用了表來(lái)記錄，那么多個(gè)線(xiàn)程注冊(cè)則通過(guò)哪一個(gè)線(xiàn)程處理系統(tǒng)信號(hào)？

混合模式

還有一種實(shí)現(xiàn)方式是將上面兩種模式進(jìn)行混合，用戶(hù)空間中進(jìn)程管理自己的線(xiàn)程，操作系統(tǒng)內(nèi)核中有一部分內(nèi)核級(jí)別的線(xiàn)程，如圖5所示。

圖5.混合模式

在這種模式下，操作系統(tǒng)只能看到內(nèi)核線(xiàn)程。用戶(hù)空間線(xiàn)程基于操作系統(tǒng)線(xiàn)程運(yùn)行。因此，程序員可以決定使用多少用戶(hù)空間線(xiàn)程以及操作系統(tǒng)線(xiàn)程，這無(wú)疑具有更大的靈活性。而用戶(hù)空間線(xiàn)程的調(diào)度和前面所說(shuō)的在用戶(hù)空間下執(zhí)行實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程是一樣的，同樣可以自定義實(shí)現(xiàn)。

原文鏈接：http://www.cnblogs.com/CareySon/archive/2012/05/04/ProcessAndThread.html