執行緒的來龍去脈，你了解嗎？

• 2019 年 10 月 10 日
• 筆記

進程最近有些煩惱，整日愁眉苦臉的，拜訪記憶體的時候也有點心不在焉。

記憶體是個明眼人，開門見山的問道：「進程啊，最近遇到啥問題了？我看你最近情緒有點低落，有啥問題你就直接說出來嘛，我讓大傢伙兒來一起幫你想想辦法。」

進程嘆了口氣，說道：「唉，最近不是說 CPU 單核頻率到瓶頸了嗎？人類就用多核芯來彌補單核處理器性能的不足，咱們的 CPU 不也升級到四核了嘛。」

「是啊，這是好事啊，現在最多能並行處理 4 個進程，效率比以前高多了，這還不好嗎？」記憶體疑惑的問。

「好是好，可我每次上 CPU 運行的時候，都忍不住去想，要是單核頻率不增加，我總的運行的時間不還是沒有什麼變化嗎？以後的應用程式越來越大，越來越吃 CPU 資源，比如那些大型遊戲進程，在短時間內需要進行大量計算，靠單核撐不住怎麼辦。不談以後，就說說我自己，我也想能夠早點運行完，早點休息啊。」

tobe 註：很明顯單進程的運行時間是變小了的，不過這裡主要強調的是進程佔用 CPU 的時間。

記憶體點點頭，贊同道：「這個問題我倒是沒想到，多核處理器對單個進程確實不大友好。那咱得想辦法讓你能夠同時使用幾個核心。不過我一時間也想不到什麼好辦法，還是和大家一起討論下吧。」

在討論會上，記憶體向大家說明了進程現在遇到的問題。

「一個進程怎麼並行？」進程調度器第一個發出疑問：「我總不能把一個進程放在四個核上吧，這樣不僅毫無意義，還阻礙了其他進程的執行。」

作業系統見多識廣，說：「把進程一次放在幾個核上運行肯定是不可能的，我在想，咱們的目標，其實就是讓多個核心不衝突地幫助一個進程運行嘛。那我們就得把進程「拆開」，然後放在幾個核上。」

作業系統一邊說，一邊畫了張圖：

「你們看，假如說 fun1 和 fun2 這兩個函數互不關聯，我們就可以讓兩個核同時執行他們，這不就做到並行了嗎？」

「你的意思是說把一個進程拆成好幾個進程？」

作業系統搖搖頭：「不是拆成多個進程，進程切換的代價太大了，再說了，這些拆出來的函數，他們是共用一個地址空間的，天生就能夠數據共享，如果拆成進程，我們還得再考慮進程之間的通訊問題，那多麻煩。不過為了跟進程區分，就叫他們「執行緒（Thread）」吧」

進程一驚，要把自己拆成執行緒？那自己不就沒了？趕忙問道：「那我豈不是沒有存在的餘地了？」

進程調度器也慌了：「要是沒了進程，我是不是也要被退休了？」

作業系統趕忙解釋道：你們誤會了，我要拆開的，是進程的執行流，進程不是包含了資源所有權和執行流嗎，資源所有權還是由進程來把控，執行流就分給幾個執行緒，就像這樣：

tobe 註：在進程模型里，進程擁有對記憶體、I/O 通道、I/O 設備和文件等資源的控制權，稱之為「資源所有權」。「執行流」可以看做進程在 CPU 上的執行過程（直觀一點就是高級語言里的語句）。

進程恍然大悟：「也就是說我仍然是資源的掌控者，那些執行緒就相當於幫我幹活的小弟？」

「沒錯，而且從這種角度看，你本身還是一個單執行緒進程。」

聽了這麼久，記憶體發問了：「創建進程的時候，我要保存進程 PCB ，那為了創建執行緒，我是不是還得創建一個 TCB（Thread Control Block）？」

「當然了，執行緒切換需要的資訊就得存在 TCB 裡面。不過你放心，TCB 要比 PCB 小得多，所以執行緒切換會比進程切換快很多。」

大家聽完，紛紛覺得「執行緒」這個模型完美的解決了當前的問題，說道：「要不我們現在就在作業系統里添上執行緒模型吧，早點解決進程的問題。」

但是作業系統面露難色，說：「執行緒模型只是我們的一個假想，貿然加進來的話，可能會出問題，系統崩潰可就不好了，還是要以穩定為主。。。但這個模型還是得試的，要不我們先創建一個執行緒庫，靠一個用戶級別的應用程式——執行緒調度器來管理這些執行緒吧。」

進程不解的問：「可是這樣的話，我還是被分配在一個單獨的核心上啊，即使是多執行緒，也只能在單核上運行。再說了，如果這些執行緒里有一個被阻塞，在你看來，是整個進程阻塞了，那其他執行緒，即使是就緒態，也得不到 CPU 資源。」

作業系統仔細想了下，說：「沒辦法，用戶級執行緒確實有這兩個缺點，但相比起讓內核來實現執行緒，用戶級執行緒也有他的好處——執行緒切換不需要我進行狀態轉換（從用戶態到內核態），開銷小，除此之外，執行緒庫可以有多個調度演算法，能夠為應用程式量身定做調度演算法。」

tobe 註：有一種解決執行緒阻塞的方案叫 jacketing，他可以把一個產生阻塞的系統調用轉化成一個非阻塞的系統調用，比如說，不直接調用系統級的 I/O 常式，而是讓執行緒調用應用級的 I/O jacket 常式，這個 jacket 常式會檢查 I/O 設備是否忙，如果忙的話，就不執行 I/O 操作，轉而調度其他執行緒，避免了因等待 I/O 設備而造成的進程阻塞。

用戶級執行緒很快投入使用，Linux系統中的 pthread（POSIX thread）庫可以說是大獲成功，作業系統做出了一項重大決定——支援內核級執行緒。

內核級執行緒解決了進程並行的問題，除此之外，由於內核看得到執行緒的存在，一個執行緒阻塞了，位於同一個進程中的其它執行緒仍然能夠運行。

並行的問題解決了，進程表示自己十分開心。

希望你在看完我的文章之後有所收穫。

感謝你的閱讀，我們後會有期！

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