一文搞懂Linux内核线程的基本概念(含源代码)

一，线程的引入

我们以软件生活中，常见的应用为例，我们要编写一个MP4的播放软件，其核心功能模块有以下三个：

对于目前采用进程的方法，我们可以采取两种方案：

方案一：单进程的实现方式

方案存在的问题：

方案二：多进程的实现：

方案二：多进程的实现：

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存在的问题：

对于这三个进程，都是为了完成该软件的某一部分功能，但是功能与功能之间必须并发的执行，当切换进程，需要保存/恢复进程运行环境，还需要切换内存的地址空间，更新块表等开销，所以在进程内部增加了一类实体，这个实体就是线程(Thread)，满足以下特性

我们再回过头去看刚才的例子，其处理过程如下图所示：

所以针对以下问题linux处理器，就需要引入新线程的概念：

二，线程的概念

从上面可以看出，线程是进程的一部分，描述指令流执行状态，它是进程中的指令执行流的最小单元，是CPU调度的基本单位。

进程的资源分配：进程是由一组相关资源构成，包括地址空间(代码段、数据段)、打开的文件等各种资源

线程的处理机调度角色： 线程描述在进程资源环境中的指令流执行状态：

从上图可以看出，所以线程 = 进程 - 共享资源

线程的优点

线程的缺点：

线程能减小并发执行时间和空间开销：

三，线程的三种实现方式3.1 用户线程

用户线程是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的创建、调度、同步和销毁全文库函数在用户空间完成，不需要内核的帮助。因此这种线程是极其低消耗和高效的。

由于早期的操作系统(如早期的unix)只支持进程，不支持线程，但是的线程是由线程库实现的，我们还是以我们上面的播放软件为例：

从代码的角度，线程其实就是一段代码逻辑，上述三段代码逻辑可以看成三个“线程”。while循环就是一个最弱的“线程库”，线程库完成了对于线程管理工作。很多 编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建，调度，销毁等功能。

对于用户线程我们需要解释以下问题：

首先我们来看看用户线程的概念：

用户线程是由应用程序通过线程库实现的，所有的线程管理工作都是由应用程序负责，包括线程的切换工作，也就是说

下面我们来看看用户线程的特征

不依赖于操作系统的内核，内核不了解用户线程的存在，可用于不支持线程的多进程操作系统

在用户空间实现的线程机制，每个进程有私有的线程控制块TBC，并且由线程库维护

同一进程内的用户线程切换速度快，无需用户态/内核态切换，线程管理系统的开销小，效率比较高

允许每个进程拥有自己的线程调度算法

用户线程的不足：

线程发起系统调用而阻塞时，则整个进程等待，并发度并不高，多个线程不可在多核处理器上并行运行

不支持基于线程的处理机抢占，除非当前运行线程主动放弃，它所在进程的其他线程无法抢占CPU

只能按进程分配CPU时间片，多个线程进程，每个线程的时间片较少

3.2 内核线程

由内核通过系统调用实现的线程机制，由内核完成线程的创建、终止和管理

内核级线程的管理工作由操作系统内核完成；线程调度、切换等工作都有内核负责，因此内核级线程的切换必须要在内核下才能完成；操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB(Thread Control Block，线程控制块)，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看到的线程。

3.3 轻量级进程

它是内核支持的用户线程，一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个轻量级进程由一个单独的内核线程来支持(Solaris和Linux)

四，多线程模型

在支持内核级线程的系统上，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划为为以下几种多线程模型

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线程同数据的内核线程

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

多对多模型：

n个用户级线程映射到m个内核级线程(n >= m)，每个用户进程对应m个内核级线程，这种方式克服了多对一模型并发度不高的缺点(一个阻塞全体阻塞)，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点：

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被阻塞了，这个进程才会被阻塞。

五，总结

本章分析了为什么需要线程，其主要包括，同时也介绍了线程的基本概念和分类

（编辑：威海站长网）

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