计算机操作系统——线程

计算机操作系统——线程

线程与进程的比较

线程称为轻型进程或进程元，在引入线程的操作系统，一个进程往往都拥有多个线程，至少有一个线程，下面从不同的方面将线程与进程进行比较（前提是操作系统引入了线程）。

① 调度

线程作为调度和分派的基本单位，而进程作为资源拥有的基本单位。同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另外一个进程中的线程时，将会引起进程切换。

② 并发性

不仅进程间可以并发执行，同一个进程中的多个线程之间亦可并发执行，是的操作系统具有更好的并发性，从而能更加有效地提高系统资源利用率和系统吞吐率。

③ 拥有资源

线程一般不拥有系统资源（除少量必不可少的资源），但它可以访问其隶属的进程的资源，即一个进程的代码段，数据段以及拥有的系统资源，如已打开的文件、I/O设备等。

④ 系统开销

在创建和撤销进程时，系统都要为之创建和回收进程控制块，分配或回收资源，操作系统付出的开销明显大于线程创建或撤销时的开销，在进程切换时，涉及到当前进程CPU环境的保存和新被调度运行进程的CPU环境的设置，而线程的切换则仅需保存和设置少量寄存器内容，不涉及存储器管理方面的操作，所以线程的切换开销远小于进程切换开销，以外，由于一个进程中的多个线程具有相同的地址空间，在同步和通信的实现上也比较容易，在一些操作系统中，线程的切换，同步和通信都无需操作系统内核的干预。

线程的属性

• ① 轻型实体，每个线程都具有一个用于控制线程运行的线程控制块TCB，用于指示被执行指令序列的程序计数器，保留局部变量，少量状态参数合返回地址等。

• ② 独立调度和分派的基本单位，线程是能独立运行的基本单位，切换非常迅速且开销小。

• ③ 可并发执行，一个进程、不同进程的线程均可并发执行。

• ④ 共享进程资源，同一进程中的线程共享该进程所拥有的资源，所有线程拥有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着线程可以访问该地址空间中的每一个虚地址，此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件，定时器，信号量机构等。

线程的状态

• ① 状态参数，每一个线程可利用线程标识符和一组状态参数进行描述。状态参数包括寄存器状态（包括程序计数器和堆栈指针中的内容）、堆栈（保存的局部变量和返回地址）、线程运行状态、优先级、线程专有存储器（保存线程自己的具有变量拷贝）、信号屏蔽（对某些信息加以屏蔽）。

• ② 线程运行状态，运行状态包括执行状态、就绪状态、阻塞状态。

线程的创建和终止

在创建新线程时，需要利用一个线程创建函数（或系统调用），并根据相应的参数，如指向线程主程序的入口指针、堆栈的大小、调度的优先级等。在线程创建函数执行完后，将返回一个线程标识符供以后使用。

终止线程的方式有两种，线程完成工作后自愿退出或者线程在运行中出现错误或由于某种原因而被其他线程强行终止。在大多数OS中，线程被终止后并不立即释放它所占有的资源，只有当进程中的其他线程执行了分离函数后，被终止的线程才与资源分离，此时的资源才能被其他线程利用。虽然已被终止但尚未释放资源的线程，仍可以被需要它的线程所调用，以使被终止线程重新恢复运行。

多线程OS中的进程

• ① 作为系统资源分配的单位，任一进程中所拥有的资源包括受到分别保护的用户地址空间、用于实现进程间和线程间同步和通信的机制、已打开的文件和已申请到的I/O设备，以及一张由核心进程维护的地址映射表，该表用于实现用户程序的逻辑地址到内存地址的映射。

• ② 可包括多个线程，一个进程至少要有一个线程，有进程为线程提供资源及运行环境，使这些线程可并发执行。所有线程只能隶属于某一个特定进程。

• ③ 进程不是一个可执行的实体，进程仍具有与执行相关的状态，如执行状态，表示进程中的某个线程正在执行，对进程所施加的与进程状态有关的操作，也对其线程其作用，例如，把某个进程挂起时，该进程中的所有线程也都将被挂起，激活某个进程时，属于该进程的所有线程也都将被激活。

线程间的同步和通信

• ① 互斥锁，互斥锁是一种比较简单的、用于实现线程间对资源互斥访问的机制。由于操作互斥锁的时间和空间开销较低，因为较适合高频度使用的关键共享数据和程序段。

• ② 条件变量，创建一个互斥锁时便联系着一个条件变量，单纯的互斥锁用于短期锁定，主要用来保证对临界区的互斥进入，条件变量则用于线程的长期等待，直至所等待的资源成为可用的资源。

• ③ 信号量机制，包括私有信号量（同一进程的不同线程需要同步时，可调用创建信号量的命令来创建私有信号量，其数据结构存放在应用程序的地址空间中，私有信号量属于特定的进程所有，OS并不知道私有信号量的存在，当发生私有信号量的占用者异常或正常结束，但并未释放私有信号量所占有的空间的情况时，系统将无法使它恢复为0，也不能将它传送到下一个请求它的线程），公用信号量（其实现不同进程间或不同进程中各线程之间的同步而设置，由所有进程使用，其数据结构放在手保护的系统存储区中，由OS为它分配空间并进行管理，也称为系统信号量，OS会自动回收其空间，其是一种比较安全的同步机制）

线程的实现方式

① 内核支持线程（Kernel Supported Threads）

无论用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤销和切换等也是依靠内核，在内核空间中实现。内核空间为每个内核支持线程设置了一个线程控制块，内核是根据该控制块而感知某个线程的存在，并对其加以控制。其优点如下

• 1. 多处理机系统中，内存能够同时调度同一个进程中多个线程并行执行。
• 2. 进程中一个线程被阻塞了，内核可以调度该进程中的其他线程，也可以运行其他进程中的线程。
• 3. 内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程切换快，开销小。
• 4. 内核本身采用多线程技术，提高系统的执行速度和效率。

其缺点是对用户的线程切换而言，切换开销较大，因为需要进行模式的切换。

② 用户级线程（User Level Thread）

用户级线程仅存在于用户空间中。对于线程的创建、撤销、同步和通信等，无需利用系统调用来实现，对于用户级线程的切换，通常发生在一个应用进程的诸多线程之间。线程的任务控制块都是设置在用户空间，线程所执行的操作也无需内核的帮助，因而内核完全不知道用户级线程的存在。设置了用户级线程的系统，仍可以以进程为单位进行调度，而设置的是内核支持线程，则以线程为单位进行调度。其优点如下

• 1. 线程切换不需要转换到内核空间，节省了切换开销。

• 2. 调度算法可以是进程专用的，进程可以选择不同的调度算法对自己的线程进行管理和调度，而与操作系统的低级调度算法无关。

• 3. 用户级线程的实现与操作系统平台无关，在所有的应用程序中都可以对其进行共享。

其缺点如下

• 1. 系统调用的阻塞问题，当线程执行一个系统调用时，不仅该线程被阻塞，而且进程内的所有线程都会被阻塞，而在内核支持线程方式中，进程中的其他线程仍可以执行。

• 2. 在单纯的用户级线程实现方式中，多线程应用不能利用多处理机进行多处理的优点，内核每次分配给一个进程的仅有一个CPU，因此进程中仅有一个线程能执行，在该线程放弃CPU之前，其他线程只能等待。

③ 组合方式

内核支持多KST线程的建立、调度和管理，同时也允许用户应用程序简历、调度和管理用户级线程。

线程的实现

① 内核支持线程的实现

系统在创建一个新进程时，便为它分配一个任务数据区PTAD(Per Task Data Area)，其中包括若干个线程控制块TCB空间，其保存在内核空间中。当进程要创建一个新线程时，便为其分配一个TCB，填入相关的信息，分配必要的资源，于是新创建的线程便有机会执行。当PTAD中的所有TCB分配完后，进程又要创建新的线程时，只要其所创建的线程数量未超过系统的允许值是，系统可再为之分配新的TCB空间。在撤销一个线程时，也回收该线程的所有资源和TCB，有的系统为了减少创建和撤销一个线程时的开销，在撤销一个线程时，并不立即回收该线程的资源和TCB，当以后要创建一个新线程时，便可利用已被撤销但仍保持有资源和TCB的线程作为新线程。

② 用户级线程的实现

用户级线程是在用户空间实现的，所有的用户级线程都具有相同的结构，他们都运行在一个中间系统上面，当前有两种方式实现中间系统，即运行时系统和内核控制线程。

运行时系统是用于管理和控制线程的函数（过程）的集合，其中包括用于创建和撤销线程的函数、线程同步和通信的函数以及实现线程调度的函数等，正因为有了这些函数，才使得用户级线程与内核无关，运行时系统中的所有函数都驻留在用户空间，并作为用户级线程与内核之间的接口。用户级线程在切换时不需要转入核心态，而是由运行时系统中的线程切换过程来执行切换任务。

内核控制线程又称为轻型进程LWP（Light Weight Process），每一个进程都可拥有多个LWP，同用户级线程一样，每个LWP都有自己的数据结构（如TCB），其中包括线程标识符，优先级，状态、栈、局部存储区等。它们也可以享受进程所拥有的资源，LWP可通过系统调用来获得内核提供的服务，当一个用户级线程运行时，只要将它连接到一个LWP上，此时它便具有了内核提供支持线程的所有属性，这种线程实现方式就是组合方式。LWP会做成一个缓冲池，用户级线程都可以连接到任何一个LWP上，为了使每一用户级线程都能利用LWP与内核通信，可以使多个用户级线程多路复用一个LWP，但只有当前连接到LWP上的线程才能与内核通信，其余进程或者阻塞，或者等待LWP，每一个LWP也需要连接到一个内核级线程上，这样，通过LWP可把用户级线程与内核线程连接起来，用户级线程可通过LWP来访问内核，内核看不到用户级线程，LWP实现了内核与用户级线程的隔离。

③ 用户级线程与内核控制线程的连接

• 1. 一对一模型

为每一个用户线程都设置一个内核控制线程与之连接，当一个线程阻塞时，允许调度另一个线程运行，在多处理机系统中，则有多个线程并行执行。

• 2. 多对一模型

将多个用户线程映射到一个内核控制线程，为了管理方便，这些用户线程一般属于一个进程，运行在该进程的用户空间，对这些线程的调度和管理也是在该进程的用户空间完成的，当用户线程需要访问内核时，才将其映射到一个内核控制线程上，但每次只允许一个线程进行映射。 线程管理开销小，效率高，但当一个线程在访问内核时发生阻塞，则整个进程都会被阻塞，并且在多处理机系统中，一个进程的多个线程无法实现并行。

• 3. 多对多模型

将多个用户线程映射到多个内核控制线程，内核控制线程的数目可以根据应用进程和系统的不同而变化。