《线程的引入N》PPT课件.ppt

1、2.7 线程的引入,线程（thread）技术早在60年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在80年代中期，solaris是这方面的佼佼者。传统的Unix也支持线程的概念，但是在一个进程（process）中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括Windows/NT，当然，也包括Linux。,Linux中的线程编程,Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。,简单多线程程序,/* example.c*/#i

2、nclude #include void thread(void)int i;for(i=0;i3;i+)printf(This is a pthread.n); ,int main(void)pthread_t id;int i,ret;ret=pthread_create(,我们编译此程序：gcc example1.c -lpthread -o example1运行example1，我们得到如下结果：This is the main process.This is a pthread.This is the main process.This is the main process.Thi

3、s is a pthread.This is a pthread.,再次运行，我们可能得到如下结果：This is a pthread.This is the main process.This is a pthread.This is the main process.This is a pthread.This is the main process.,进程的两个基本属性,独立的资源拥有者： 给每个进程分配一虚拟地址空间, 分配文件，I/O设备等 独立调度和分配的基本单位： 进程是一个独立调度和分配的基本单位 以上两个属性构成进程并发执行的基础,要使程序并发执行, 系统必须额外完成操作：

4、创建进程、撤消进程、进程切换 由于进程是资源拥有者, 上述操作的时间空间开销大,限制并发度的提高。为了减少开销提高并发度,将进程的两属性分开处理, 设置只作为调度和分配的基本单位而不独立拥有资源的线程, 资源的拥有者还是进程。进程可包含多个线程, 同属一个进程的各线程可以并发执行, 共享进程的全部资源。线程只拥有极少量运行中必不可少的资源,可以轻装运行,减少了并发执行的系统开销, 提高了速度。,线程(有时称轻量级进程) ： 是被系统独立调度和分配的基本单位 只拥有极少量运行中必不可少的资源： 程序计数器、一组寄存器和栈(执行栈)。 同属一个进程的各线程之间可以并发执行, 共享所 在进程的代码段

5、、数据段和系统资源 可以创建、撤消本进程中的另一个线程 同样有就绪、阻塞和执行状态 一个进程可以有多个线程,引入线程的好处： 占用较少的系统资源, 线程的创建、撤销和切换花费的时空间开销都小。 同一进程内的线程共享内存和文件, 它们之间相互通信无须调用内核, 效率高。 提高应用程序的性能, 如: web页面的多幅图像被同时传送。 使多处理机效率更高, 多个线程可以同时在不同的处理器上运行, 如：矩阵乘法 改善程序的结构。,例子：,Web服务器 文件服务进程在一段时间内需要处理多个用户的请求, 因此有效的方法是: 为每一个请求创建一个线程。 在一个SMP机器上 多个线程可以同时在不同的处理器上运

6、行。 一个应用有几个独立部分,他们不需要顺序执行 每个部分可以以线程方式实现, 当一个线程因I/O阻塞时, 可以切换到同一应用的另一个线程。 一个线程显示菜单并读入用户输入; 另一个线程执行用户命令。,2.7.2 线程与进程的比较,调度 并发性 拥有资源 系统开销,线程与进程的关系,1:1,每一执行的线程 有自己的地址空间 和资源.,各种UNIX版本,M:1,进程拥有自己的地址空间和动态资源.在该进程中多个线程可被创建和执行，共享这些资源.,Windows NT, Solaris, OS/2, OS/390, MACH,1. 互斥锁(mutex) 当线程需要访问使用频率比较高的共享数据和程序段

7、时, 最好用互斥锁实现互斥访问; 互斥锁有两种状态开锁(unlock)和关锁(lock)状态, 只能用两条命令(原语)lock和unlock对互斥锁进行修改操作。 当线程需要访问共享段时, 先对它的互斥锁执行 lock 命令, 若互斥锁已处于关锁状态则本线程将被阻塞, 如果它处于开锁状态则将它关锁后再访问; 访问结束后必须执行 unlock命令打开互斥锁同时唤醒等待该互斥锁的线程。 系统提供了TRYLOCK命令仅对互斥锁进行测试。,2.7.3 线程间的同步与通信,2. 条件变量 单独用互斥锁实现互斥访问，可能引起死锁; 在创建一个互斥锁时联系一个条件变量。单纯互斥锁用于短期锁定，条件变量则用于

8、线程的长期等待,实现线程之间的同步。,Lock mutex check data structures; while (resource busy) wait(mutex,condtion ); Mark resource as busy; Unlock mutex,Lock mutex Mark resource as free; Unlock mutex Wakeup(conditon ),3. 信号量机制 1) 私用信号量：实现同一进程中各线程的同步。 2) 公用信号量：实现不同进程之间或不同进程中的各线程之间的同步。,2.7.4 线程控制,用户级线程(User-Level Thread

9、s) 内核支持线程(Kernel Supported Threads) 两者结合的方法,1.用户级线程(ULT),仅存在于用户级中 由应用程序通过线程库完成所有线程的管理 内核不知道线程的存在,线程切换不需要内核特权 内核管理含线程的进程的活动,但不管理线程 当用户级线程调用系统调用时,整个进程阻塞 通过线程库完成： 线程的创建、撤消和调度切换 在线程之间传递消息和数据 保护和恢复线程上下文 实例: 数据库管理系统informix 是ULT,用户级线程的优点和缺点：,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) 缺点： 用户

10、级线程调用系统调用时, 内核把它看为整个进程的行为, 整个进程(含所有线程)将被阻塞。 内核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。,2. 内核支持线程(KST)：,所有线程管理由内核完成 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：Windows NT，OS/2,内核级线程的优点和缺点：,优点： 对多处理器, 内核可以同时调度同一进程的多个线程, 多个线程能同时运行于多个处理器上。 阻塞是在线程一级完成的 内核例程是多线程的 缺点： 在同一进程内的线程切换要调用内核, 导致速度下降。,2.7.5 Solaris 操作系统

11、中的线程,是用户级线程与内核级线程结合实现的 用户级线程(ULT ) 线程库： 可在应用进程中建立多个(ULT ) 每个ULT需要一个栈和程序计数器 不受调度程序的调度, 线程切换快 对内核不可见, 提供应用程序并行性接口 系统可拥有数千个ULT 内核级线程(KLT ) ： 设置了大量KLT 有一个小的数据结构和栈, 速度快 它们完成内核的所有工作 调度处理器的单位, 其结构由内核维护,轻型进程(LWP)： Solaris在用户级线程和内核级线程之间, 还定义了一种轻型进程 LWP(Light-Weight Process), 一个进程中至少有一个LWP(它含有进程控制块),内核级线程执行时, 若被阻塞, 则与之相连的LWP 将随之阻塞, 进而使连到 LWP 上的用户级线程被阻塞。如果进程中有多个LWP, 当一个被阻塞时另一个仍可继续执行, 这样就避免了整个进程的阻塞, 即使全部 LWP 都被阻塞, 进程中不访问内核的线程仍然能继续执行。,上机安排,实验要求 （8课时） 时间，第5，8，10周二12节，周四34节，第