ch2-2.4线程及其实现.ppt

2.4 线程及其实现,2.4.1 引入多线程的动机 2.4.2 多线程环境中的进程和线程 2.4.3 线程的实现,2.4.1 引入多线程的动机,单线程(结构)进程（Single Threaded Process） 多线程（结构）进程（Multiple Threaded process）,单线程结构进程给并发程序设计效率带来问题,进程切换开销大 进程通信代价大 进程间的并发性粒度较粗，并 发度不高 不适合并行计算和分布并行计算 的要求 不适合客户/服务器计算的要求。,线程的概念(1),操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序并发执行，以改善资源使用率和提高系统效率， 操作系统中再引入线程，则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使得并发粒度更细、并发性更好。,线程的概念(2),解决问题的基本思路： 把进程的两项功能“独立分配资源”与“被调度分派执行”分离开来， 进程作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切换； 线程作为系统调度和分派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换，在这种指导思想下，产生了线程的概念。,2.4.2 多线程环境中的进程与线程,多线程结构进程,多线程环境中进程的定义,进程是操作系统中进行除处理器外的资源分配和保护的基本单位，它有一个独立的虚拟地址空间，用来容纳进程映像(如与进程关联的程序与数据)，并以进程为单位对各种资源实施保护，如受保护地访问处理器、文件、外部设备及其他进程(进程间通信)。,多线程环境中的线程概念,线程是操作系统进程中能够独立执行的实体（控制流），是处理器调度和分派的基本单位。线程是进程的组成部分，每个进程内允许包含多个并发执行的实体（控制流），这就是多线程。,线程组成,线程惟一标识符及线程状态信息； 未运行时保存的线程上下文；可把线程看成是进程中一个独立的程序计数器在操作； 核心栈，核心态下工作时，保存参数，函数调用时的返回地址等； 用于存放线程局部变量及用户栈的私有存储区。,线程又称轻量进程,线程运行在进程的上下文中,并使用进程的资源和环境。 系统调度的基本单位是线程而不是进程,每当创建一个进程时，至少要同时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。,线程的状态,线程状态有：运行、就绪和阻塞，线程的状态转换也类似于进程。 挂起状态对线程是没有意义的，如果进程挂起后被对换出主存，则它的所有线程因共享了进程的地址空间，也必须全部对换出去。,线程管理和线程库(1),多线程技术利用线程包(库)提供线程原语集来支持多线程运行， 有的操作系统直接支持多线程，而有的操作系统不支持多线程。 线程包(库)可分成两种：用户空间中运行的线程包(库)和内核中运行的线程包(库)。,线程管理和线程库(2),线程包(库)提供一组API，支持应用程序创建、调度、撤销和管理线程的运行。基本线程控制原语： 孵化（Spawn）：又称创建线程。 封锁（Block）：又称阻塞线程。 活化（Unblock）：又称恢复线程。 结束（Finish）：又称撤销线程。,并发多线程程序设计的优点, 快速线程切换。 减少（系统）管理开销。 (线程）通信易于实现。 并行程度提高。 节省主存空间。,多线程技术的应用,进程中线程多种组织方式： 第一种是调度员工作者模式 第二种是组模式 第三种是流水线模式 多线程技术的应用 前台和后台工作 C/S应用模式 异步处理 加快执行速度。 设计用户接口。,2.4.3 线程的实现,从实现的角度看，线程分成: 用户级线程ULT(如Java ,Informix) 内核级线程KLT(如OS/2)。 混合式线程(如，Solaris)。,2.5 Linux进程与线程,进程描述符task_struct中包含：进程标识、链接信息、调度信息、文件信息、虚存空间信息、信号处理信息等，在v2.4以上内核代码中，它有将近100个成员。 Linux中认为线程就是共享地址空间及其他资源的进程，故并没有单独为线程定义数据结构，有一套在用户模式下运行的线程库-pthread，但每个线程都拥有惟一隶属于自己的task_struct。,Linux2.4进程的核心栈、PCB 和虚存映象,Linux2.6进程的核心栈,Linux进程的运行环境信息thread_info结构,包含： 进程描述符task_struct指针、 当前CPU号、 底层标志、 线程同步标志、 内核抢占计数器等。,Linux2.6 task_struct,增加用于调度的新成员，主要有： 动态优先级prio 静态优先级static_prio 正常优先级normal_prio 优先级数组prio_array 进程平均等待时间sleep_avg 负载平衡权重load_weight等,Linux进程状态,TASK_RUNNING TASK_INTERRUPTIBLE TASK_UNINTERRUPTIBLE TASK_ZOMBIE。 TASK_STOPPED TASK_SWAPPING,Linux进程状态及转换,2.6Windows 2003进程与线程,进程是资源的容器，容纳各种分配到的资源如主存、已打开文件等； 线程是可被内核调度的执行实体，可被中断，使CPU能转向另一线程执行。 进程和线程用对象来实现。,Windows 对象分类(1),Windows 是一个基于对象的操作系统，用对象来表示所有的系统资源。 (1)执行体对象 由执行体的组件实现的对象，用来实现各种外部功能，用户态程序(服务器对象)可访问执行体对象。 执行体对象：进程、线程、区域、文件、事件、事件对、文件映射、互斥、信号量、计时器、对象目录、符号连接、关键字、端口、存取令牌和终端等。,Windows 对象分类(2),(2)内核对象 内核实现的更原始的对象集合，包括：内核过程对象、异步过程调用对象、延迟过程调用对象、中断对象、电源通知对象、电源状态对象、调度程序对象等。 内核对象对用户态代码是不可见的，仅在执行体内创建和使用，许多执行体对象包含一个或多个内核对象，而内核对象能提供仅能由内核来完成的基本功能。,Windows 对象分类(3),Windows 对象结构 对象头 对象体 对象管理器,进程及控制和使用的资源,对象和句柄间的关系,进程对象(进程描述表结构),线程对象(进程和线程描述表结构),KTHREAD,KTHREAD,EPROCESS,KPROCESS,ETHREAD,KTHREAD,KTHREAD,KTHREAD,NT内核,NT执行体,调用CreateProcess函数创建进程,创建WIN32进程的具体步骤： 打开将在进程中被执行的映像文件（.EXE）。 创建Windows2000/XP执行体进程对象。 创建初始线程（堆栈、描述表、执行体线程对象）。 通知WIN32子系统已创建了一个新的进程，以便它可设置新的进程和线程。 启动初始线程的执行。 在新进程和线程的描述表中完成地址空间的初始化，加载所需的DLL，并开始程序的执行,调用CreateThread函数创建线程,创建WIN32线程的具体步骤： 在进程地址空间内为线程创建用户态堆栈；初始化线程描述表； 调用NtCreateThread创建执行体线程对象。包括：增加进程中的线程计数，创建并初始化执行体线程块，生成新线程ID，从非页交换区分配线程的内核堆栈，设置线程