三、线程

内容来自老师课件，仅供复习和学习

目录

• 进程与线程
• 线程分类
• 多核与多线程
• 对称多处理
• 微内核
• 现代操作系统相关技术

3.1进程与线程

• 进程概念的两个特点
  • 资源分配的单位：资源的控制或所有权属于进程。操作系统执行保护功能，以防止进程之间发生不必要的与资源相关的冲突
  • 调度、执行的单位：进程沿着一条执行路径（轨迹）执行。可能与其他进程的执行过程交替进行
  • 传统操作系统中这两个特点集中地实现于进程机制中
  • 两个特点本质上独立，可分开处理：用进程（任务）作为资源所有权单位，用线程作为CPU调度/执行/分派单位
• 为什么需要线程
  • 在没有线程概念的系统中，进程是
    • 资源分配的单位
    • 调度/执行的单位
  • 主要问题
    • 进程切换开销大：每次切换都要保存和恢复进程所拥有的全部信息（PCB、有关程序段和相应的数据集等）
    • 进程占用资源多：多个同类进程需占用多份资源，而一个进程中的多个同类线程则共共享一份资源
  • 线程：一个进程内的基本调度单位
    • 一个进程可有一个或多个线程

3.1.1多线程

• 多线程：是指OS支持在一个进程中执行多个线程的能力
  
• 多线程环境下的进程和线程
  • 进程/任务：资源分配和保护单位
    • 拥有用于保存进程映像的虚地址空间
    • 受保护地访问处理、其他进程、文件和I/O资源
  • 线程：分派的执行单位
    • 执行状态（运行，就绪等）
    • 线程上下文（非运行时）
    • 一个执行栈
    • 存储局部变量的静态存储空间
    • 对进程的内存和其他资源的访问（同进程其他线程共享）
• 单线程和多线程的进程模型
  • 
• 线程的优点（与进程比较）
  • 创建速度快（在已有进程内）
  • 终止用时少
  • 切换时间少（保存和恢复工作量小）
  • 通信效率高（在同一进程内，无需调用OS内核，可利用共享的存储空间）
• 线程的应用
  • 若应用程序可按功能划分为不同的小段，或可划分成一组相关的执行实体，则用一组线程（比用一组进程）可提高执行效率（尤其是在多处理器和多核系统中）
  • 单用户多核/多处理器系统的典型应用
    • 服务器中的文件管理或通信控制
    • 前台和后台操作（如前台用户交互、后台数据处理）
    • 异步处理（如字处理与周期性备份）
    • 加速执行（在多核/多处理器中的并行）
    • 模块化程序结构（涉及多种活动或多个I/O源和目的地的程序）

3.1.2线程的功能特征（执行特征）

• 线程状态
  • 运行
  • 就绪
  • 阻塞
  • 
• 线程不拥有资源，且进程与其所有线程共享代码和地址空间
• 线程拥有自己的寄存器上下文和栈空间（用来存储局部变量和调用参数）
• 挂起状态、终止状态是进程级的概念
  • 挂起一个进程，则该进程的所有线程也挂起
  • 终止一个进程，则该进程的所有线程也终止
• 与线程有关的操作
  • 派生（spawn，产卵）————线程可派生新线程
  • 阻塞————等待事件发生
  • 唤醒/解除阻塞————事件发生后被唤醒，转到就绪态
  • 调度————由操作系统将就绪线程调度到处理器（核）中执行
  • 结束————释放处理器上下文和栈
• 例1：使用线程的PRC
  • 远程过程调用：在不同机器上执行两个程序的技术，它使用过程调用/返回的语法和语义
    
• 例2：单个单核处理器上的多线程
  
• 线程同步
  • 同一进程的多个线程共享同一个地址空间和其他资源
  • 需要同步各个线程的活动，使它们互不干涉且不破坏数据结构
  • 线程同步机制与进程同步机制相同

3.2线程分类

• 用户级线程
  • 线程管理均由应用程序完成（线程库）
  • 线程库含有创建和销毁线程在线程间传递消息和数据的代码、调度线程和保存恢复线程上下文的代码
  • 内核不知道线程的存在
  • 优点
    • 线程切换不需要模式切换
    • 调度算法可应用程序专用
    • 用户级别线程不需要内核支持，线程库可在任意操作系统上运行
  • 缺点
    • 一个线程阻塞会导致整个进程阻塞
    • 不能利用多核和多处理器技术
• 内核级线程
• 混合方法/组合途径