操作系统原理第四章：线程

你的名字 2023-07-15 02:59 81阅读 0赞

### 目录 ###

*  1 线程的引入
 *   *  1.1 线程的由来
     *  1.2 线程的特点
     *  1.3 线程的定义
     *  1.4 进程和线程的比较
 *  2 内核线程和用户线程
 *   *  2.1 内核线程
     *  2.2 用户线程
     *  2.3 两者比较
 *  3 线程模型

# 1 线程的引入 #

## 1.1 线程的由来 ##

前面章节提到，引入进程是为了解决程序并发所出现的一些问题，进程具有两个基本的属性：

*  进程是一个拥有资源的独立单位:它可独立分配虚地址空间、主存和其它；
 *  进程是一个可独立调度和分派的基本单位。

正是因为进程具有这两个基本属性，所以进程成为并发执行的基本单位， 在一些早期的OS中，比如大多数UNIX系统、Linux等，进程同时具有这二个属性，由于 进程是一个资源的拥有者 ，因而在进程创建、撤销、调度切换时，系统需要付出较大的时空开销，所以进程的数目不宜过多，进程切换频率不宜过高，否则会限制并发程度，操作系统的设计目标是提高并发度，减小系统开销，显然进程还不能做到完全的高效，所以引入了**线程**的概念。

那么有没有一种方法能够既提高系统并发，还能减少系统开销呢，我们采用的方法是**将进程的两个基本属性分开**，对于拥有资源的基本单位，不对其进行频繁切换，对于调度的基本单位，不作为拥有资源的单位，“轻装上阵”，引入线程以小的开销来提高进程内的并发程度。

在没有引入线程之前，进程作为资源分配单位（存储器、文件）和CPU调度单位。当引入线程后把线程作为作为CPU调度单位，而进程只作为其他资源分配单位。相比进程，线程只拥有必不可少的资源，如：线程状态、程序计数器、寄存器上下文和栈，线程同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态，一个进程可以创建多个线程，线程与同属一个进程的其它线程共享进程拥有的全部资源，并且这些线程可以并发执行。

## 1.2 线程的特点 ##

减小并发执行的时间和空间开销（线程的创建、退出和调度），因此容许在系统中建立更多的线程来提高并发程度，因为线程有如下特点：

*  线程的创建时间比进程短；
 *  线程的终止时间比进程短；
 *  同进程内的线程切换时间比进程短；
 *  由于同进程内线程间共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信；
 *  一个多线程的应用在执行中，即使其中的某个线程阻塞，其他的线程还可继续执行，从而提高响应速度
 *  同一进程的多个线程共享该进程的内存等资源
 *  创建和切换线程的开销要低于进程。比如，Solaris中进程创建时间是线程创建的30倍，进程切换时间是线程切换的5倍
 *  多线程更适用于多处理机结构

## 1.3 线程的定义 ##

线程（轻型进程）是CPU运用的一个基本单元，包括：

*  程序计数器 (program counter)
 *  寄存器集 (register set)
 *  栈空间 (stack space)

一个线程与它的对等线程共享如下内容：

*  代码段 (code section)
 *  数据段 (data section)
 *  操作系统资源 (operating-system resources)

传统的或重型进程等价于只有一个线程的任务，下图是单线程和多线程的对比，可以从图中看到多个线程共享`code，data，files`，并且每个线程有自己的`registers，stack`：  
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## 1.4 进程和线程的比较 ##

*  **并发性**：在引入线程的OS中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间亦可并发执行，因而使OS具有更好的并发性，从而能更有效地使用系统资源和提高系统吞吐量；
 *  **拥有资源**：进程是拥有资源的独立单位，而线程只拥有一些必不可少的资源；
 *  **系统开销**：在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等。因此，OS所付出的开销将明显地大于在创建或撤消线程时的开销；
 *  **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；
 *  **调度**：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多，下图是线程切换和进程切换的示意图，当单线程进程需要切换的时候，整块内容都需要切换，当多线程进行切换的时候，只需要切换单个线程内容，即虚线框内的内容。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5emRldg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# 2 内核线程和用户线程 #

线程是一个轻型的进程，引入线程是为了进一步提高系统并发，从而提高系统效率，线程在实现的时候分为两种：

*  内核支持的线程 (Kernel-supported threads)
 *  用户级线程 (User-level threads)：在内核之上，通过用户级的库调用

## 2.1 内核线程 ##

内核线程由内核支持，在内核空间执行线程创建、调度和管理，**当线程是内核线程时，才真正的是CPU调度的基本单位**，这么说是因为后面要讲到的用户线程并不是CPU调度的基本单位。内核线程是依赖于操作系统的，这个时候内核维护进程和线程的上下文信息，线程切换由内核完成，一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程的运行，时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间（线程作为CPU调度的基本单位，每个线程都会分得时间片，所以线程越多的进程，分到的CPU时间越多）。

## 2.2 用户线程 ##

用户线程是由用户级线程库进行管理的线程，这个时候线程库提供对线程创建\\调度和管理的支持，无需内核支持，因此**用户线程不是CPU调度的基本单位**，此时进程是CPU调度的基本单位。

由于用户线程不依赖于 OS 核心，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。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 。

用户线程的维护由应用进程完成，内核不了解用户线程的存在，用户线程切换不需要内核特权，用户线程的缺点是如果内核是单线程的，那么一个用户线程发起系统调用而阻塞，则整个进程阻塞，此时时间片分配给进程，多线程则每个线程就慢。

## 2.3 两者比较 ##

*  **调度方式**：内核线程的调度和切换与进程的调度和切换十分相似，用户线程的调度不需OS的支持；
 *  **调度单位**：用户线程的调度以进程为单位进行，在采用时间片轮转调度算法时，每个进程分配相同的时间片。对内核级线程，每个线程分配时间片

# 3 线程模型 #

用户线程是在用户空间去实现的，有关于用户线程的所有操作都是在用户空间里实现的，那么这样的用户线程如果要用到操作系统提供的功能的时候，它通常是要映射到内核空间去，就要在用户线程和内核线程之间做映射，在映射过程中有以下三种模式：

*  **多对一 (Many-to-One)**：多个用户线程映射到内核线程上，如下图，任一时刻只能有一个线程可以访问内核(并发性低)，一个用户线程发起系统调用而阻塞，则整个进程阻塞：  
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 *  **一对一 (One-to-One)**：每个用户线程对应一个内核线程，如下图，提供了更好的并发性,一个用户线程发起系统调用而阻塞时允许另一个线程运行，每创建一个用户级线程需创建一个相应的内核线程，带来了额外开销，所以许多系统限制应用中的线程数目：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5emRldg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]
 *  **多对多 (Many-to-Many)**：为了克服上述两种方式的缺点，引入了多对多模型，不限制应用的线程数、多个线程可以并发，如下图：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N5emRldg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

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