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進(jìn)程最近有些煩惱，整日愁眉苦臉的，拜訪內(nèi)存的時(shí)候也有點(diǎn)心不在焉。

內(nèi)存是個(gè)明眼人，開門見山的問(wèn)道：“進(jìn)程啊，最近遇到啥問(wèn)題了?我看你最近情緒有點(diǎn)低落，有啥問(wèn)題你就直接說(shuō)出來(lái)嘛，我讓大家伙兒來(lái)一起幫你想想辦法。”

進(jìn)程嘆了口氣，說(shuō)道：“唉，最近不是說(shuō) CPU 單核頻率到瓶頸了嗎?人類就用多核芯來(lái)彌補(bǔ)單核處理器性能的不足，咱們的 CPU 不也升級(jí)到四核了嘛。”

“是啊，這是好事啊，現(xiàn)在最多能并行處理 4 個(gè)進(jìn)程，效率比以前高多了，這還不好嗎?”內(nèi)存疑惑的問(wèn)。

“好是好，可我每次上 CPU 運(yùn)行的時(shí)候，都忍不住去想，要是單核頻率不增加，我總的運(yùn)行的時(shí)間不還是沒(méi)有什么變化嗎?以后的應(yīng)用程序越來(lái)越大，越來(lái)越吃 CPU 資源，比如那些大型游戲進(jìn)程，在短時(shí)間內(nèi)需要進(jìn)行大量計(jì)算，靠單核撐不住怎么辦。不談以后，就說(shuō)說(shuō)我自己，我也想能夠早點(diǎn)運(yùn)行完，早點(diǎn)休息啊。”

tobe 注：很明顯單進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間是變小了的，不過(guò)這里主要強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)程占用 CPU 的時(shí)間。

內(nèi)存點(diǎn)點(diǎn)頭，贊同道：“這個(gè)問(wèn)題我倒是沒(méi)想到，多核處理器對(duì)單個(gè)進(jìn)程確實(shí)不大友好。那咱得想辦法讓你能夠同時(shí)使用幾個(gè)核心。不過(guò)我一時(shí)間也想不到什么好辦法，還是和大家一起討論下吧。”

在討論會(huì)上，內(nèi)存向大家說(shuō)明了進(jìn)程現(xiàn)在遇到的問(wèn)題。

“一個(gè)進(jìn)程怎么并行?”進(jìn)程調(diào)度器第一個(gè)發(fā)出疑問(wèn)：“我總不能把一個(gè)進(jìn)程放在四個(gè)核上吧，這樣不僅毫無(wú)意義，還阻礙了其他進(jìn)程的執(zhí)行。”

關(guān)于進(jìn)程調(diào)度器，可以看這篇文章：進(jìn)程調(diào)度，一個(gè)調(diào)度器的自白

操作系統(tǒng)見多識(shí)廣，說(shuō)：“把進(jìn)程一次放在幾個(gè)核上運(yùn)行肯定是不可能的，我在想，咱們的目標(biāo)，其實(shí)就是讓多個(gè)核心不沖突地幫助一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行嘛。那我們就得把進(jìn)程「拆開」，然后放在幾個(gè)核上。”

操作系統(tǒng)一邊說(shuō)，一邊畫了張圖：

進(jìn)程拆分

“你們看，假如說(shuō) fun1 和 fun2 這兩個(gè)函數(shù)互不關(guān)聯(lián)，我們就可以讓兩個(gè)核同時(shí)執(zhí)行他們，這不就做到并行了嗎?”

“你的意思是說(shuō)把一個(gè)進(jìn)程拆成好幾個(gè)進(jìn)程?”

操作系統(tǒng)搖搖頭：“不是拆成多個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程切換的代價(jià)太大了，再說(shuō)了，這些拆出來(lái)的函數(shù)，他們是共用一個(gè)地址空間的，天生就能夠數(shù)據(jù)共享，如果拆成進(jìn)程，我們還得再考慮進(jìn)程之間的通信問(wèn)題，那多麻煩。不過(guò)為了跟進(jìn)程區(qū)分，就叫他們「線程(Thread)」吧”

進(jìn)程一驚，要把自己拆成線程?那自己不就沒(méi)了?趕忙問(wèn)道：“那我豈不是沒(méi)有存在的余地了?”

進(jìn)程調(diào)度器也慌了：“要是沒(méi)了進(jìn)程，我是不是也要被退休了?”

操作系統(tǒng)趕忙解釋道：你們誤會(huì)了，我要拆開的，是進(jìn)程的執(zhí)行流，進(jìn)程不是包含了資源所有權(quán)和執(zhí)行流嗎，資源所有權(quán)還是由進(jìn)程來(lái)把控，執(zhí)行流就分給幾個(gè)線程，就像這樣：

執(zhí)行流

tobe 注：在進(jìn)程模型里，進(jìn)程擁有對(duì)內(nèi)存、I/O 通道、I/O 設(shè)備和文件等資源的控制權(quán)，稱之為「資源所有權(quán)」?！笀?zhí)行流」可以看做進(jìn)程在 CPU 上的執(zhí)行過(guò)程(直觀一點(diǎn)就是高級(jí)語(yǔ)言里的語(yǔ)句)。

進(jìn)程恍然大悟：“也就是說(shuō)我仍然是資源的掌控者，那些線程就相當(dāng)于幫我干活的小弟?”

“沒(méi)錯(cuò)，而且從這種角度看，你本身還是一個(gè)單線程進(jìn)程。”

聽了這么久，內(nèi)存發(fā)問(wèn)了：“創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候，我要保存進(jìn)程 PCB ，那為了創(chuàng)建線程，我是不是還得創(chuàng)建一個(gè) TCB(Thread Control Block)?”

“當(dāng)然了，線程切換需要的信息就得存在 TCB 里面。不過(guò)你放心，TCB 要比 PCB 小得多，所以線程切換會(huì)比進(jìn)程切換快很多。”

多線程進(jìn)程模型

大家聽完，紛紛覺得「線程」這個(gè)模型完美的解決了當(dāng)前的問(wèn)題，說(shuō)道：“要不我們現(xiàn)在就在操作系統(tǒng)里添上線程模型吧，早點(diǎn)解決進(jìn)程的問(wèn)題。”

但是操作系統(tǒng)面露難色，說(shuō)：“線程模型只是我們的一個(gè)假想，貿(mào)然加進(jìn)來(lái)的話，可能會(huì)出問(wèn)題，系統(tǒng)崩潰可就不好了，還是要以穩(wěn)定為主。。。但這個(gè)模型還是得試的，要不我們先創(chuàng)建一個(gè)線程庫(kù)，靠一個(gè)用戶級(jí)別的應(yīng)用程序——線程調(diào)度器來(lái)管理這些線程吧。”

進(jìn)程不解的問(wèn)：“可是這樣的話，我還是被分配在一個(gè)單獨(dú)的核心上啊，即使是多線程，也只能在單核上運(yùn)行。再說(shuō)了，如果這些線程里有一個(gè)被阻塞，在你看來(lái)，是整個(gè)進(jìn)程阻塞了，那其他線程，即使是就緒態(tài)，也得不到 CPU 資源。”

操作系統(tǒng)仔細(xì)想了下，說(shuō)：“沒(méi)辦法，用戶級(jí)線程確實(shí)有這兩個(gè)缺點(diǎn)，但相比起讓內(nèi)核來(lái)實(shí)現(xiàn)線程，用戶級(jí)線程也有他的好處——線程切換不需要我進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換(從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài))，開銷小，除此之外，線程庫(kù)可以有多個(gè)調(diào)度算法，能夠?yàn)閼?yīng)用程序量身定做調(diào)度算法。”

tobe 注：有一種解決線程阻塞的方案叫 jacketing，他可以把一個(gè)產(chǎn)生阻塞的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)化成一個(gè)非阻塞的系統(tǒng)調(diào)用，比如說(shuō)，不直接調(diào)用系統(tǒng)級(jí)的 I/O 例程，而是讓線程調(diào)用應(yīng)用級(jí)的 I/O jacket 例程，這個(gè) jacket 例程會(huì)檢查 I/O 設(shè)備是否忙，如果忙的話，就不執(zhí)行 I/O 操作，轉(zhuǎn)而調(diào)度其他線程，避免了因等待 I/O 設(shè)備而造成的進(jìn)程阻塞。

用戶級(jí)線程很快投入使用，Linux系統(tǒng)中的 pthread(POSIX thread)庫(kù)可以說(shuō)是大獲成功，操作系統(tǒng)做出了一項(xiàng)重大決定——支持內(nèi)核級(jí)線程。

內(nèi)核級(jí)線程解決了進(jìn)程并行的問(wèn)題，除此之外，由于內(nèi)核看得到線程的存在，一個(gè)線程阻塞了，位于同一個(gè)進(jìn)程中的其它線程仍然能夠運(yùn)行。

用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程

進(jìn)程表示現(xiàn)在自己十分開心。