1、第四章 多線程（thread）,線程是近年來操作系統(tǒng)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)非常重要的機(jī)制和技術(shù)，其重要程度不亞于進(jìn)程。線程機(jī)制可以提高程序執(zhí)行的效率，而且也方便用戶編程，不但適用于多機(jī)系統(tǒng)，對大多數(shù)單CPU的個(gè)人計(jì)算機(jī)也同樣帶來好處，因此當(dāng)代操作系統(tǒng)都支持線程。,1、 線程的引入,進(jìn)程的兩個(gè)基本屬性: 資源分配的基本單位： 給每個(gè)進(jìn)程分配一虛擬地址空間，保存進(jìn)程映像，控制一些資源（文件，I/O設(shè)備），有狀態(tài)、優(yōu)先級、調(diào)度 調(diào)度基本單位： 進(jìn)程是一個(gè)執(zhí)行軌跡。 以上兩個(gè)屬性構(gòu)成進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)。,對進(jìn)程系統(tǒng)必須完成的操作： 創(chuàng)建進(jìn)程 撤消進(jìn)程 進(jìn)程切換 缺點(diǎn)： 時(shí)間空間開銷大，限制并發(fā)度的提高,引入線

2、程的目的,進(jìn)程的局限性 在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的引入提高了計(jì)算機(jī)資源的利用效率。但在進(jìn)一步提高進(jìn)程的并發(fā)性時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)進(jìn)程切換開銷占的比重越來越大； 傳統(tǒng)的進(jìn)程不能很好的利用多處理器，因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程在某個(gè)時(shí)刻只能使用一個(gè)處理器； 進(jìn)程間通信的效率受到限制； 引入線程的目的： 減小（進(jìn)程/線程）上下文切換開銷； 更好支持多處理器（MP），達(dá)到最大程度的并行 ； 簡化進(jìn)程間的通信；,2、 線程的概念,定義：線程是進(jìn)程內(nèi)一個(gè)相對獨(dú)立的、可調(diào)度的執(zhí)行單元。有時(shí)稱輕量級進(jìn)程。 將原來進(jìn)程的兩個(gè)屬性分開處理。 每個(gè)線程都具有 執(zhí)行狀態(tài)； 受保護(hù)的線程上下文，當(dāng)線程不運(yùn)行時(shí)，用于存儲現(xiàn)場信息 獨(dú)立的程序指令計(jì)數(shù)器

3、 執(zhí)行堆棧 容納局部變量的靜態(tài)存儲器 可存取所在進(jìn)程的內(nèi)存和其他資源,線程的特性,并行性：同一進(jìn)程的多個(gè)線程可在一個(gè)或多個(gè)處理器上并發(fā)或并行運(yùn)行 共享性：同一個(gè)進(jìn)程中的所有線程共享進(jìn)程獲得的主存空間和一切資源 動態(tài)性：線程也是程序在相應(yīng)數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行，由創(chuàng)建而產(chǎn)生，至撤銷而消亡，有其生命周期,線程的性質(zhì),線程是進(jìn)程內(nèi)一個(gè)相對獨(dú)立的可執(zhí)行單元 線程是操作系統(tǒng)中的基本的調(diào)度單元 進(jìn)程中至少要有一個(gè)或一個(gè)以上的線程 線程可以創(chuàng)建其他線程 線程并不擁有資源，只是使用他們，進(jìn)程是資源分配和擁有的基本單元。 由于共享資源，線程間需要通信和同步機(jī)制 線程有生命期，有誕生和死亡,線程的好處,創(chuàng)建一個(gè)新線程

4、花費(fèi)時(shí)間少（結(jié)束亦如此） 同一進(jìn)程中兩個(gè)線程的切換花費(fèi)時(shí)間少，如果機(jī)器設(shè)有“存儲恢復(fù)所有寄存器”指令，則整個(gè)切換過程用幾條指令即可完成） 由于同一進(jìn)程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件，因此它們之間相互通信無須調(diào)用內(nèi)核 適合多處理機(jī)系統(tǒng),線程的應(yīng)用,前臺和后臺工作 異步處理工作 加快執(zhí)行速度 組織復(fù)雜工作 多用戶服務(wù),線程的狀態(tài),由于線程是調(diào)度和執(zhí)行的基本單位，在它的生命過程中有狀態(tài)的變化： 就緒狀態(tài) 線程已具備執(zhí)行的條件，等待調(diào)度程序分配給一個(gè)CPU運(yùn)行 運(yùn)行狀態(tài) 線程正在CPU上運(yùn)行 等待狀態(tài) 線程正等待某事件發(fā)生,進(jìn)程與線程的比較,調(diào)度： 進(jìn)程中可能有多個(gè)線程，一個(gè)線程阻塞并不影響整個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程中的

5、其他線程仍然可以參與調(diào)度運(yùn)行 并發(fā)性： 進(jìn)程間可并發(fā)，同一進(jìn)程中的線程間亦可并發(fā) 擁有資源：進(jìn)程擁有資源，進(jìn)程中有掛起操作，線程不擁有資源，沒有權(quán)力決定進(jìn)程或自己從主存撤出，掛起只是進(jìn)程一級的概念 系統(tǒng)開銷：線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換要快得多，同一進(jìn)程中的線程切換系統(tǒng)開銷小。 地址空間和其他資源（如打開文件）：進(jìn)程間相互獨(dú)立，同一進(jìn)程的各線程間共享某進(jìn)程內(nèi)的線程在其他進(jìn)程不可見。 通信：進(jìn)程間通信通過IPC，線程間可以直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段（如全局變量）來進(jìn)行通信需要進(jìn)程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性,線程控制原語,創(chuàng)建線程原語 撤消線程原語 阻塞或等待原語 掛起一個(gè)線程 恢復(fù)一個(gè)線

6、程 改變優(yōu)先數(shù),線程組（thread group）,每個(gè)線程屬于某個(gè)線程組 每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)，用戶可以顯示的說明為它創(chuàng)建一個(gè)新的線程組；也可以由系統(tǒng)自動把該線程歸入創(chuàng)建該線程的線程所在的線程組 線程組是多個(gè)線程的集合，系統(tǒng)將它們歸入一個(gè)單獨(dú)的對象，統(tǒng)一加以管理 可為線程組設(shè)置不同的特性和保密安全方法 一個(gè)線程在已被創(chuàng)建后，不能更改移入其他線程組,單線程進(jìn)程,多線程進(jìn)程,基于線程的操作系統(tǒng)分類,單進(jìn)程和單線程系統(tǒng) 單進(jìn)程和多線程系統(tǒng) 多進(jìn)程和單線程系統(tǒng) 多進(jìn)程和多線程系統(tǒng),3、線程的實(shí)現(xiàn),用戶級線程 內(nèi)核級線程 混合式線程,用戶級線程（ULT）User-Level Thread）,由用戶應(yīng)用程序建

7、立、調(diào)度和管理的線程。 不依賴于OS內(nèi)核，應(yīng)用進(jìn)程利用線程庫提供創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理線程的函數(shù)來控制用戶線程。如：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)informix，圖形處理Aldus PageMaker。調(diào)度由應(yīng)用軟件內(nèi)部進(jìn)行，通常采用非搶先式和更簡單的規(guī)則，也無需用戶態(tài)/核心態(tài)切換，所以速度特別快。一個(gè)線程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用而阻塞，則整個(gè)進(jìn)程在等待。時(shí)間片分配給進(jìn)程，多線程則每個(gè)線程就慢。 線程庫：基于多線程的應(yīng)用程序的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。 創(chuàng)建、撤消線程 在線程之間傳遞消息和數(shù)據(jù) 調(diào)度線程執(zhí)行 保護(hù)和恢復(fù)線程上下文,用戶級線程的活動,內(nèi)核不知道線程的活動，但仍然管理線程所屬進(jìn)程的活動 當(dāng)線程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，整個(gè)進(jìn)程阻塞

8、 但對線程庫來說，線程仍然是運(yùn)行狀態(tài) 即線程狀態(tài)是與進(jìn)程狀態(tài)獨(dú)立的,用戶級線程的優(yōu)點(diǎn),線程切換不調(diào)用內(nèi)核 調(diào)度是應(yīng)用程序特定的：可以選擇最好的算法 ULT可運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上（只需要線程庫）,用戶級線程的缺點(diǎn),大多數(shù)系統(tǒng)調(diào)用是阻塞的，因此核心阻塞進(jìn)程，故進(jìn)程中所有線程將被阻塞 核心只將處理器分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程中的兩個(gè)線程不能同時(shí)運(yùn)行于兩個(gè)處理器上,內(nèi)核級線程（KLT）Kernel-Level Thread,由操作系統(tǒng)的內(nèi)核建立、調(diào)度和管理的線程。 所有線程管理由內(nèi)核完成 沒有線程庫，但對內(nèi)核線程工具提供API 內(nèi)核維護(hù)進(jìn)程和線程的上下文 線程之間的切換需要內(nèi)核支持 以線程為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)度 例

9、子：Windows NT，OS/2,內(nèi)核級線程的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 對多處理器，內(nèi)核可以同時(shí)調(diào)度同一進(jìn)程的多個(gè)線程 阻塞是在線程一級完成 內(nèi)核例程是多線程的 缺點(diǎn)： 在同一進(jìn)程內(nèi)的線程切換調(diào)用內(nèi)核，導(dǎo)致速度下降,用戶級和內(nèi)核級線程比較,調(diào)度和切換速度 ULT切換快， KLT切換與進(jìn)程切換相似。ULT通常發(fā)生在一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程的諸線程中，無需通過中斷進(jìn)入內(nèi)核。 系統(tǒng)調(diào)用 ULT進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，會引起進(jìn)程的阻塞；KLT進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)只會引起該線程阻塞。 線程執(zhí)行時(shí)間 ULT以進(jìn)程為單位調(diào)度，KLT以線程為單位調(diào)度。 ULT：進(jìn)程A有1個(gè)線程，進(jìn)程B有100個(gè)線程，則A的線程比B快 KLT：進(jìn)程A有1個(gè)

10、線程，進(jìn)程B有100個(gè)線程，則B比A快 使用范圍： ULT廣，任何OS， KLT需OS內(nèi)核支持 調(diào)度算法 ULT與OS調(diào)度算法無關(guān)，可針對應(yīng)用優(yōu)化 多處理器支持 KLT可充分利用多處理器,ULT和KLT結(jié)合方法,線程創(chuàng)建在用戶空間完成 大量線程調(diào)度和同步在用戶空間完成 程序員可以調(diào)整KLT的數(shù)量 可以取兩者中最好的 例子：Solaris,用戶級和內(nèi)核級線程,根據(jù)線程運(yùn)行的地址空間 用戶線程： 運(yùn)行在用戶地址空間的線程。 內(nèi)核線程： 運(yùn)行在內(nèi)核空間的線程。 所有用戶級線程都是用戶線程； 內(nèi)核級線程可以是用戶線程，也可以是內(nèi)核線程。,NT線程的有關(guān)API,CreateThread()函數(shù)在調(diào)用進(jìn)程的地址空間上創(chuàng)建一個(gè)線程，以執(zhí)行指定的函數(shù)；返回值為所創(chuàng)建線程的句柄。 ExitThread()函數(shù)用于結(jié)束