华中科技大学电信系操作系统课件-Chapter4

第四章多线程 thread 线程是近年来操作系统领域出现的一个非常重要的机制和技术 其重要程度不亚于进程 线程机制可以提高程序执行的效率 而且也方便用户编程 不但适用于多机系统 对大多数单CPU的个人计算机也同样带来好处 因此当代操作系统都支持线程 1 线程的引入 进程的两个基本属性 资源分配的基本单位 给每个进程分配一虚拟地址空间 保存进程映像 控制一些资源 文件 I O设备 有状态 优先级 调度调度基本单位 进程是一个执行轨迹 以上两个属性构成进程并发执行的基础 对进程系统必须完成的操作 创建进程撤消进程进程切换缺点 时间空间开销大 限制并发度的提高 引入线程的目的 进程的局限性在操作系统中 进程的引入提高了计算机资源的利用效率 但在进一步提高进程的并发性时 人们发现进程切换开销占的比重越来越大 传统的进程不能很好的利用多处理器 因为一个进程在某个时刻只能使用一个处理器 进程间通信的效率受到限制 引入线程的目的 减小 进程 线程 上下文切换开销 更好支持多处理器 MP 达到最大程度的并行 简化进程间的通信 2 线程的概念 定义 线程是进程内一个相对独立的 可调度的执行单元 有时称轻量级进程 将原来进程的两个属性分开处理 每个线程都具有执行状态 受保护的线程上下文 当线程不运行时 用于存储现场信息独立的程序指令计数器执行堆栈容纳局部变量的静态存储器可存取所在进程的内存和其他资源 线程的特性 并行性 同一进程的多个线程可在一个或多个处理器上并发或并行运行共享性 同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和一切资源动态性 线程也是程序在相应数据集上的一次执行 由创建而产生 至撤销而消亡 有其生命周期 线程的性质 线程是进程内一个相对独立的可执行单元线程是操作系统中的基本的调度单元进程中至少要有一个或一个以上的线程线程可以创建其他线程线程并不拥有资源 只是使用他们 进程是资源分配和拥有的基本单元 由于共享资源 线程间需要通信和同步机制线程有生命期 有诞生和死亡 线程的好处 创建一个新线程花费时间少 结束亦如此 同一进程中两个线程的切换花费时间少 如果机器设有 存储 恢复 所有寄存器 指令 则整个切换过程用几条指令即可完成 由于同一进程内的线程共享内存和文件 因此它们之间相互通信无须调用内核适合多处理机系统 线程的应用 前台和后台工作异步处理工作加快执行速度组织复杂工作多用户服务 线程的状态 由于线程是调度和执行的基本单位 在它的生命过程中有状态的变化 就绪状态线程已具备执行的条件 等待调度程序分配给一个CPU运行运行状态线程正在CPU上运行等待状态线程正等待某事件发生 进程与线程的比较 调度 进程中可能有多个线程 一个线程阻塞并不影响整个进程 进程中的其他线程仍然可以参与调度运行并发性 进程间可并发 同一进程中的线程间亦可并发拥有资源 进程拥有资源 进程中有挂起操作 线程不拥有资源 没有权力决定进程或自己从主存撤出 挂起只是进程一级的概念系统开销 线程上下文切换比进程上下文切换要快得多 同一进程中的线程切换系统开销小 地址空间和其他资源 如打开文件 进程间相互独立 同一进程的各线程间共享 某进程内的线程在其他进程不可见 通信 进程间通信通过IPC 线程间可以直接读写进程数据段 如全局变量 来进行通信 需要进程同步和互斥手段的辅助 以保证数据的一致性 线程控制原语 创建线程原语撤消线程原语阻塞或等待原语挂起一个线程恢复一个线程改变优先数 线程组 threadgroup 每个线程属于某个线程组每个线程创建时 用户可以显示的说明为它创建一个新的线程组 也可以由系统自动把该线程归入创建该线程的线程所在的线程组线程组是多个线程的集合 系统将它们归入一个单独的对象 统一加以管理可为线程组设置不同的特性和保密安全方法一个线程在已被创建后 不能更改移入其他线程组 单线程进程 多线程进程 基于线程的操作系统分类 单进程和单线程系统单进程和多线程系统多进程和单线程系统多进程和多线程系统 3 线程的实现 用户级线程内核级线程混合式线程 用户级线程 ULT User LevelThread 由用户应用程序建立 调度和管理的线程 不依赖于OS内核 应用进程利用线程库提供创建 同步 调度和管理线程的函数来控制用户线程 如 数据库系统informix 图形处理AldusPageMaker 调度由应用软件内部进行 通常采用非抢先式和更简单的规则 也无需用户态 核心态切换 所以速度特别快 一个线程发起系统调用而阻塞 则整个进程在等待 时间片分配给进程 多线程则每个线程就慢 线程库 基于多线程的应用程序的开发和运行环境 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 用户级线程的活动 内核不知道线程的活动 但仍然管理线程所属进程的活动当线程调用系统调用时 整个进程阻塞但对线程库来说 线程仍然是运行状态即线程状态是与进程状态独立的 用户级线程的优点 线程切换不调用内核调度是应用程序特定的 可以选择最好的算法ULT可运行在任何操作系统上 只需要线程库 用户级线程的缺点 大多数系统调用是阻塞的 因此核心阻塞进程 故进程中所有线程将被阻塞核心只将处理器分配给进程 同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上 内核级线程 KLT Kernel LevelThread 由操作系统的内核建立 调度和管理的线程 所有线程管理由内核完成没有线程库 但对内核线程工具提供API内核维护进程和线程的上下文线程之间的切换需要内核支持以线程为基础进行调度例子 WindowsNT OS 2 内核级线程的优点及缺点 优点 对多处理器 内核可以同时调度同一进程的多个线程阻塞是在线程一级完成内核例程是多线程的缺点 在同一进程内的线程切换调用内核 导致速度下降 用户级和内核级线程比较 调度和切换速度ULT切换快 KLT切换与进程切换相似 ULT通常发生在一个应用进程的诸线程中 无需通过中断进入内核 系统调用ULT进行系统调用时 会引起进程的阻塞 KLT进行系统调用时只会引起该线程阻塞 线程执行时间ULT以进程为单位调度 KLT以线程为单位调度 ULT 进程A有1个线程 进程B有100个线程 则A的线程比B快KLT 进程A有1个线程 进程B有100个线程 则B比A快使用范围 ULT广 任何OS KLT需OS内核支持调度算法ULT与OS调度算法无关 可针对应用优化多处理器支持KLT可充分利用多处理器 ULT和KLT结合方法 线程创建在用户空间完成大量线程调度和同步在用户空间完成程序员可以调整KLT的数量可以取两者中最好的例子 Solaris 用户级和内核级线程 根据线程运行的地址空间用户线程 运行在用户地址空间的线程 内核线程 运行在内核空间的线程 所有用户级线程都是用户线程 内核级线程可以是用户线程 也可以是内核线程 NT线程的有关API CreateThread 函数在调用进程的地址空间上创建一个线程 以执行指定的函数 返回值为所创建线程的句柄 ExitThrea