20、并行编程中的线程与同步机制详解

并行编程中的线程与同步机制详解

1. 线程的基本概念

线程是并行编程中的重要概念，其显著特点是同一进程内的线程共享该进程的地址空间，即拥有共同的地址空间。当一个线程在共享地址空间中存储一个值后，同一进程的其他线程可以随后访问该值。

线程通常在执行资源能够访问物理共享内存时使用，例如多核处理器的核心。与套接字通信相比，这种情况下的信息交换速度更快。此外，线程的生成通常比进程生成快得多，因为线程共享共同的地址空间，无需复制地址空间。因此，线程的使用比进程更灵活，同时也能实现并行执行的优势。特别是，一个进程的不同线程可以分配到多核处理器的不同核心上，从而在进程内部实现并行性。

线程可以由运行时系统作为用户级线程提供，也可以由操作系统作为内核线程提供。用户级线程由线程库管理，无需操作系统的特定支持。这种方式的优点是线程之间的切换可以在不与操作系统交互的情况下完成，因此速度相当快。然而，用户级线程管理也存在缺点，由于操作系统不知道线程的存在，只能管理整个进程，所以无法将同一进程的不同线程映射到不同的执行资源上，同一进程的所有线程都在同一执行资源上执行。此外，如果一个线程执行阻塞 I/O 操作，操作系统无法切换到另一个线程，而是会暂停整个进程，并将执行资源分配给另一个进程。

使用内核线程可以避免这些缺点，因为操作系统知道线程的存在并能做出相应的反应，这对于高效使用多核系统的核心尤为重要。大多数操作系统都在内核级别支持线程。

2. 线程的执行模型

线程的执行模型主要取决于操作系统对线程管理的支持情况，具体有以下几种映射方式：

2.1 N:1 映射（多对一映射）

如果操作系统不支持线程管理