『操作系统』 进程的描述与控制 Part4 线程

@[toc]

2.8 线程及其实现

1.线程的基本概念 2.线程的实现及控制

引入进程 的目的：
使多个程序能并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量。
引入线程 的目的：
应用的需要/ 开销的考虑/ 性能的提升

开销的考虑

（1）进程相关的操作：

• 创建进程
• 撤消进程
• 进程通信
• 进程切换
  → 时间/空间开销大，限制了并发度的提高。

（2）线程的开销小

• 创建一个新线程花费时间少（撤销亦如此）
• 两个线程切换花费时间少
• 线程之间相互通信无须调用内核（同一进程内的线程共享内存和文件）

性能的提升

• 多个线程，有的计算，有的 I/O，进一步提高并发度。
• 充分利用多处理器的优势。

1.线程的概念

在同一进程增加了多个执行序列（线程）

（1）线程：进程中的一个运行实体，是 CPU 的调度单位,有时将线程称为轻量级进程
进程与线程

• 进程是资源分配单位
• 线程是 CPU 执行单位
  多线程优点
• 切换速度快（地址空间不变）
• 系统开销小
• 通讯容易（共享数据空间）
  
  
  （2）线程模型
  每个线程拥有自己的栈：局部变量、返回地址
  （3）线程控制块
• TCB（Thread control block)
  标志线程存在的数据结构， 其中包含对线程管理需要的全部信息．
• 内容
  线程标识、线程状态
  调度参数、现场(通用寄存器,PC,SP)
• 存放位置
  用户级线程：目态空间
  核心级线程：管态空间

（4）线程的属性：并发性、共享性、动态性

• 轻型实体：只有一点必不可少的、能保证独立运行的资源
• CPU 调度的基本单位
• 可并发执行
• 共享进程资源

（5）线程的优点

• 快速切换；
• 易于通信；
• 并行度高；
• 节省内存；
• 减少管理开销。

（6）线程的基本状态

• 执行状态
• 就绪状态
• 阻塞状态

（7）线程的创建和终止

• 线程的创建
  利用线程创建函数(或系统调用)；
  创建成功后，返回一个线程标识符。

• 线程的终止方式
  自愿退出
  被其它线程强行终止

（8）线程与进程的比较

• 线程：作为 CPU 调度单位。
  线程只拥有必不可少的资源，如：线程状态、寄存器上下文和栈
  同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态
• 进程：其它资源分配单位（存储器、文件、IO 等）。
• 调度：线程作为 CPU 调度的基本单位，而进程只作为其它资源分配单位。
• 并发性：进程之间可以并发，且一个进程的多个线程之间亦可并发。
• 拥有资源：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享资源。某进程内的线程在其它进程不可见。
• 系统开销：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

练习题

1. 线程机制中，一个进程可以对应多个线程，一个线程也可以对应若干个进程。
解答： 错！
一个进程可以拥有若干个线程，线程从属于该进程，同一进程内所有线程共享该进程的地址空间，而不同进程之间的地址空间是完全独立的，如果一个线程可以对应若干个进程，那么也就意味着不同进程之间的地址空间可以共享，这显然是不合适的。

2.线程的实现及控制

• 用户级线程——User-level thread
• 核心级线程——Kernel-level thread
• 混合线程——Hybrid approach

（1）用户级线程和内核支持线程

• 内核支持线程，它们是依赖于内核的，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消、切换都由内核实现。
• 用户级线程，对于这种线程的创建、撤消、和切换，都不用系统调用来实现。内核并不知道用户级线程的存在。

（2）核心级线程

• 所有线程管理由核心完成
• 没有线程库，但核心提供 API
• 核心维护进程和线程的上下文
• 线程之间的切换需要核心支持
• 以线程为基础进行调度
  
  当一个线程想去创建一个新线程或撤消已存在的线程时，它发出一个内核调用，完成创建和回收工作。
  实现方法：
• 基于系统调用
• 创建、撤销、状态转换由操作系统完成

优点：

• 对多处理器，核心可以同时调度同一进程的多个线程
• 某线程阻塞，其它线程仍可执行

缺点：

• 应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现,在同一进程中，控制权从一个线程传送到另一个线程时需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较大。
• 调度算法不能灵活控制

（3）用户级线程

运行时系统：用于管理和控制线程的函数集合。
（4）线程库
提供线程运行管理系统：

• 创建、撤消线程
• 在线程之间传递消息和数据
• 调度线程执行
• 保护和恢复线程上下文

用户级的线程库能在不支持线程的操作系统中实现线程

• 切换效率高
• 允许每一个进程有自已定制的调度算法

实现方法：

• 基于 library 函数，系统不可见
• 线程创建、撤销、状态转换在目态完成
• TCB 在用户空间，每个进程一个系统栈

优点：

• 不依赖于操作系统，调度灵活
• 切换无须从目态到管态，速度快
• ULT 可运行在任何操作系统上（只需要线程库），可以在一个不支持线程的 OS 上实现

缺点：

• 核心只将处理器分配给进程，在多处理机中同一进程中多个线程不能真正并行
• 一个线程进入系统受阻，进程中其它线程不能执行

例题

1. 设进程 A 拥有 1 个用户级线程，进程 B 拥有 100 个用户级线程，则在系统调度时各占用几个时间片？
答：1 个
2. 设进程 A 拥有 1 个内核级线程，进程 B 拥有 100 个内核级线程，则在系统调度时各占用几个时间片？
答：A:1 个;B:100 个

用户级线程与核心级线程的比较

（5）混合线程

• 在混合式线程系统中，内核支持 KLT 多线程的建立、调度和管理；
• 同时,也提供线程库，允许用户应用程序建立、调度和管理 ULT；
• 一个应用程序的多个 ULT 映射成一些 KLT,程序员可按应用需要和机器配置调整 KLT 数目，以达到较好效果；
• 混合式中，一个应用中的多个线程能同时在多处理器上并行运行，且阻塞一个线程时并不需要封锁整个进程。如果设计得当，混合式多线程机制能够结合了两者优点，舍去缺点。

练习题

1. 在以下描述中，（C）并不是多线程系统的特长。
A. 利用线程并行地执行矩阵的乘法运算
B. Web 服务器利用线程响应 HTTP 请求
==C. 键盘驱动程序为每一个正在运行的应用配备一个线程，用以响应该应用的键盘输入==
D. 基于 GUI 的调试程序用不同的线程分别处理用户输入、计算和跟踪等操作

2. 同一进程中的多个线程有哪些成分是共用的，哪些成分是私用的？
答： 线程的公有成分包括:
代码区、数据区、动态堆空间。
线程的私有成分包括：
线程控制块；
一个执行栈；
运行时动态分给线程的寄存器。

3. [2012 考研试题 31]下列关于进程和线程的叙述中，正确的是(A)
==A．不管系统是否支持线程，进程都是资源分配的基本单位==
B．线程是资源分配的基本单位，进程是调度的基本单位
C．系统级线程和用户级线程的切换都需要内核的支持
D．同一进程中的各个线程拥有各自不同的地址空间

4. 在支持多线程的系统中，进程 P 创建的若干线程不嗯呢该共享的事（D）
A.进程的代码段
B.进程 P 中打开的文件
C.进程 P 的全局变量
==D.进程 P 中某线程的栈指针==

5. 下列对线程的描述中，(B)是错误的。
A．不同的线程可执行相同的程序
==B．线程是资源分配单位==
C．线程是调度和执行单位
D．同一进程中的线程可共享该进程的主存空间

6. 以下说法中哪个是正确的？（C）
A.线程是进程中可独立执行的子任务，一个进程可以包含一个或多个线程，一个线程可以属于一个或多个进程。
B.线程又称为轻型进程，因为线程都比进程小。
==C.多线程技术具有明显的优越性，如速度快、通信简便、并行性高等。==
D.由于线程不作为资源分配单位，线程之间可以无约束地并行执行。

**7.**进程与线程的根本区别是（C）
A．进程要占用一个进程控制块，开销较大，而线程无此开销
B．进程会增加死锁的机会，而线程有效避免了这一问题
==C. 进程是资源分配单位，而线程是调度和执行的单位==
D. 进程是调度和执行的单位，而线程是资源分配单位

8. 用户级线程执行时，同一进程不同线程的切换不需要内核支持。
答： 正确

9. 在支持线程的操作系统中，同一个进程中的各个线程共享该进程的用户栈。
答： 错误