本文主要参考《计算机操作系统（第四版）》（西安电子科技大学出版社）以及清华大学操作系统公开课（向勇、陈渝），整理操作系统的基本概念，供自己复习查阅。

线程（Thread）

线程的引入是为了减少程序在并发执行时的时空开销。

线程的引入

回顾进程的基本属性：

1. 进程是一个可拥有资源的独立单位；
2. 进程是一个可独立调度和分派的基本单位。

由于进程同时是资源的所有者和调度的基本单位，进程的创建、撤销和切换都要付出较大的时空开销，不利于并发程度的提高。因此，要设法把进程的两个属性分开，让操作系统分别处理。由此也就引入了线程的概念，让线程仅作为调度和分派的基本单位。

线程与进程

线程在调度上与进程很相似，但又有自己的优势所在。

1. 线程是调度和分派的基本单位，切换线程时，仅需保存和设置少量的寄存器，代价远低于进程。
2. 进程可以并发执行，一个进程内的多个线程也可以并发执行，不同进程的线程也可以并发执行。
3. 进程是系统中拥有资源的一个基本单位，线程仅持有保持运行所必不可少的资源（如：线程控制块TCB、程序计数器、少数寄存器和堆栈）。

在引入线程的操作系统中，进程已经不是可执行的实体了，线程才是独立运行的基本单位。但进程仍保留有与执行有关的状态，这些状态用于控制从属于该进程的线程。

线程控制块

与PCB类似，操作系统会维护一个数据结构来保存线程的信息，这就是线程控制块（Thread Control Block，TCB）。通常线程控制块包含线程标识符、程序计数器、状态寄存器、通用寄存器、运行状态、存储区、优先级和堆栈指针。

线程的分类

内核支持线程

内核支持线程（Kernel Supported Threads，KST）是在内核支持下运行的，它的创建、阻塞、撤销、切换都在内核空间实现。

内核支持线程的优点是：

1. 内核可以同时调度同一进程的多个线程执行；
2. 当线程阻塞时，内核可以调度同进程的其他线程或其他进程的线程占有CPU执行；
3. 内核支持线程的数据结构和堆栈很小，线程切换快，切换代价小；
4. 内核本身也是多线程并发，进一步提供了速度和效率。

缺点是对用户进程的线程切换开销比较大，需要从用户态切换到核心态。

用户级线程

概念

用户级线程（User Level Threads，ULT）是在用户空间实现的，线程操作与内核无关。对于设置了用户级线程的系统，其调度仍是以进程为单位进行的。一个具体例子是：采用时间片轮转调度时，每个进程轮流执行一个时间片，而不是每个线程。

用户级线程的优点是：

1. 线程切换是用户级操作，不需转换到内核空间；
2. 进程调度算法可以是进程专用的，不同进程内根据需要选择不同的线程调度算法；
3. 用户级线程的实现与操作系统无关，二是属于用户程序的一部分；

缺点是当线程阻塞时，与该线程同属一个进程的线程也会被阻塞；内核只会给一个进程分配一个CPU，即同一进程中只能有一个线程能执行。

实现

用户级线程在用户空间实现，运行在一个中间系统上。目前有两种方式实现中间系统：运行时系统和内核控制线程。

运行时系统

运行时系统实质上是一系列用于管理控制线程的函数的集合，这些函数都驻留在用户空间，作为用户级线程和内核的接口。当线程需要系统资源时，需要先把请求提交给运行时系统，再由运行时系统通过对应的系统调用获得系统资源。

内核控制线程

内核控制线程又叫轻型进程（Light Weight Process，LWP）。每个进程可以拥有多个LWP，每个LWP都有自己的数据结构（类似TCB）。LWP可以通过系统调用获得内核提供的服务，当一个用户级线程运行时，只需把它连接到一个LWP上，它就具有了内核支持线程的所有属性。其实这种实现方式是一种组合方式，它包含了内核支持线程和用户级线程，充分发挥了各自的优点。

由于用户级线程数量往往很大，为了节省系统开销，操作系统通常会把LWP做成一个缓冲池，称为线程池。任一用户线程都可以连接到线程池的任一LWP上，还可以让多个用户级线程多路复用一个LWP。而每个LWP都会连接到一个内核线程上，在内核的角度看，与它交互的总是LWP，它感受不到用户级线程的存在，即实现了内核和用户级线程的隔离。