操作系统学习笔记:线程

参考资料: 《现代操作系统 3th edtion》原书第二章 进程与线程
在 xmind 上记录

一、线程使用原因

• 主要原因是，在许多应用中同时发生着多种活动。其中某些活动随着时间的推移会被阻塞。通过将这些应用程序分解成可以准并行运行的多个顺序线程，程序设计模型会变得更简单

• 第二个关于需要多线程的理由是，由于线程比进程更轻量级，所以它们比进程更容易（即更快）创建， 也更容易撤销

• 第三个原因涉及性能方面的讨论。若多个线程都是CPU密集型的，那么并不能获得性能上 的增强，但是如果存在着大量的计算和大量的I/O处理，拥有多个线程允许这些活动彼此重叠进行，从而会 加快应用程序执行的速度。

• 最后，在多CPU系统中，多线程是有益的，在这样的系统中，真正的并行有了实现的可能

二、经典的线程模型

• CPU在线程之间的快速切换，制造了线程并行运行的假象

• 所有的线程都有完全一样的地址空间，这 意味着它们也共享同样的全局变量

• 和传统进程一样（即只有一个线程的进程），线程可以处于若干种状态的任何一个：运行、阻塞、就绪 或终止

每个线程有其自己的堆栈

三、POSIX线程

• 为实现可移植的线程程序，IEEE在IEEE标准1003.1c中定义了线程的标准。它定义的线程包叫做 Pthread。

• 创建一个新线程需要使用pthread_create调用

• 当一个线程完成分配给它的工作时，可以通过调用pthread_exit来终止

• 通过pthread_join线程调用 来等待别的特定线程的终止

• 一个线程逻辑上没有阻塞，但感觉上它已经运行了足够长时间并且希望给另外一 个线程机会去运行。这时可以通过调用pthread_yield完成这一目标

四、实现线程

在用户空间中实现线程

• 把整个线程包放在用户空间中，内核对线程包一无所知

• 从内核角度考虑，就是按正常的 方式管理，即单线程进程

• 在用户空间管理线程时，每个进程需要有其专用的线程表（thread table），用来跟踪该进程中的线程

• 优点

  • 这种方法第一个，也是最明显的优点是，用户级线程包可以在不支持线程的操作 系统上实现
  • 进行线程切换至少比陷入内核要快一个数量级（或许更多），这是使用用户级线程包的极大的优点
  • 它允许每个进程有自己定制的调度算法

• 存在的问题

  • 第一个问题是如何实现阻塞系统调 用
  • 如果一个线程开始运行，那么在该进程中的其他线程就不能运行，除非第一个线程自动放弃CPU

在内核中实现线程

• 在内核中有用来记录系统中所有线程的线程表

• 在内核中创建或撤销线程的代价比较大

• 当 一个线程阻塞时，内核根据其选择，可以运行同一个进程中的另一个线程（若有一个就绪线程）或者运行另 一个进程中的线程

• 内核线程不需要任何新的、非阻塞系统调用

• 调度程序激活机制

  • 调度程序激活工作的目标是模拟内核线程的功能，但是为线程包提供通常在用户空间中才能实现的更好 的性能和更大的灵活性
  • 如果线程阻塞在某个系统调用或页面故障上，只要在同一个进程中有 任何就绪的线程，就应该有可能运行其他的线程
  • 当使用调度程序激活机制时，内核给每个进程安排一定数量的虚拟处理器，并且让（用户空间）运行时 系统将线程分配到处理器上
  • 上行调用

混合实现

• 使用内核级线程，然后将用户级线程与某些或者全部内核线程多路复用起来
• 采用这种方法，内核只识别内核级线程，并对其进行调度。其中一些内核级线程会被多个用户级线程多 路复用

五、弹出式线程

• 一个消息的到达导致系统创建一个处理 该消息的线程

• 使用弹出式线程的结 果是，消息到达与处理开始之间的时间非常短

六、多线程代码的问题

• 全局变量的逻辑，比如系统错误变量errno因线程切换造成歧义

• 库过程不可重入，即对于任何给定的过程，当前面的调用尚没有结束之前，不可以进行第二次调用，比如网络协议的缓冲区

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