2.1.2操作系统（进程通信线程的概念和特点多线程模型）

ゝ一世哀愁。 2023-10-01 21:22 18阅读 0赞

**目录**

进程通信

什么是进程通信？

1.共享存储

2.管道通信

3.消息传递

4.客户机--服务器系统

线程的概念和特点

什么是线程，为什么要引入线程？

线程的特性和优点

引入线程机制后，有什么变化？

线程的实现方式多线程模型

线程的实现方式

用户级线程（User-Level Thread, ULT）

内核级线程（Kernel-Level Thread, KLT, 又称“内核支持的线程”）

多线程模型

一对一模型

多对一模型

多对多模型

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## 进程通信 ##

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、

### **什么是进程通信？**  ###

顾名思义，进程通信就是指进程之间的信息交换。

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此 各进程 拥有的 内存地址空间相互独立 。

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为了保证安全， 一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间 。 但是进程之间的信息交换又是必须实现的。 为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。

### **1.****共享存储** ###

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两个进程对共享空间的 访问 必须是 互斥 的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现）。操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P 、 V 操作）

基于数据结构 的共享：比如共享空间里只能放 一个长度为10 的数组。这种共享方式速度慢、 限制多，是一种 低级通信 方式

基于存储区 的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制,而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种 高级通信 方式

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### **2.管道通信** ###

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1.  管道只能采用 半双工通信 ，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现 双向同时通信 ，则 需要设置两个管道 。

2.  各进程要 互斥 地访问管道。

3.  数据以字符流的形式写入管道，当 管道写满 时， 写进程 的 write() 系统调用将被 阻塞 ，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后， 管道变空 ，此时 读进程 的 read() 系统调用将被 阻塞 。

4.  如果 没写满，就不允许读。 如果 没读空，就不允许写。

5.  数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着 读进程最多只能有一个 ，否则可能会有读错数据的情况

####  ####

### **3.消息传递** ###

进程间的数据交换以 格式化的消息 （ Message ）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息 / 接收

消息”两个 原语 进行数据交换。

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### 4.客户机--服务器系统 ###

(了解即可)

客户机/服务器系统 Client/server system 简称C/S系统。是一类按新的应用模式运行的分布式计算机系统。现在的LAN，Internet提供的多种服务都是这种模式

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## 线程的概念和特点 ##

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### **什么是线程，为什么要引入线程？** ###

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### **线程的特性和优点**  ###

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![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5LiA5Liq54Ot54ix57yW56iL55qE5bCP55m955m9_size_8_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1][]

**进程间并发，开销很大 线程间并发，开销更小**  引入线程机制后，并发带来的**系统开销降低**，系统并发性提升

注意：从属于不同进程的线程间切换，也会导致进程的切换！开销也大！

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从属同一进程的各个线程**共享进程拥有的资源**。 进程间通信必须请求操作系统服务（CPU 要切换到核心态），开销大同进程下的线程间通信，**无需操作系统干预，开销更小**

注意：从属于不同进程的线程间通信，也必须请求操作系统服务！

引入线程前， 进程 既是 资源分配 的基本单位，也是 调度 的基本单位。

引入线程后， **进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。**

线程也有运行态、就绪态、阻塞态

在 多 CPU 环境下，各个线程也可以分派到不同的CPU 上 并行 地执行。

引入线程后，进程是资源分配的基本单位。而 线程几乎不拥有资源 ，只拥有极少量的资源（线程控制块TCB 、寄存器信息、堆栈等）

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### **引入线程机制后，有什么变化？** ###

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类比：

切换进程运行环境：有一个不认识的人要用桌子，你需要你的书收走，他把自己的书放到桌上

同一进程内的线程切换 = 你的舍友要用这张书桌，可以不把桌子上的书收走

## 线程的实现方式多线程模型 ##

![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5LiA5Liq54Ot54ix57yW56iL55qE5bCP55m955m9_size_16_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3][]

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### **线程的实现方式** ###

#### 用户级线程（User-Level Thread, ULT） ####

历史背景：早期的操作系统（如：早期Unix）只支持进程， 不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的

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![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5LiA5Liq54Ot54ix57yW56iL55qE5bCP55m955m9_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2][]

从代码的角度看，线程其实就是一段代码逻辑。 上述三段代码逻辑上可以看作三个“线程”。 while 循环就是一个最弱智的“线程库”，线程库完成了对线程的管理工作（如调度）。

很多编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建、销毁、调度等功能。

**1. 线程的管理工作由谁来完成？**

用户级线程由应用程序通过线程库实现，

所有的 线程管理工作 都由 应用程序负责 （包

括线程切换）

**2. 线程切换是否需要CPU变态？**

用户级线程中， 线程切换 可以在 用户态 下

即可完成，无需操作系统干预。

**3. 操作系统是否能意识到用户级线程的存在？**

在用户看来，是有多个线程。但是在操作

系统内核看来，并意识不到线程的存在。

“ 用户级线程 ”就是“ 从用户视角看能看到

的线程 ”

**4. 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？**

优缺点

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完

成，不需要切换到核心态，线程管理的系统

开销小，效率高

缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进

程都会被阻塞， 并发度不高 。多个线程不可

在多核处理机上并行运行。

####  ####

#### 内核级线程（Kernel-Level Thread, KLT, 又称“内核支持的线程”） ####

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大多数现代操作系统都实现了内核级线程，如Windows、 Linux

**1. 线程的管理工作由谁来完成？**

内核级线程的管理工作 由 操作系统内核 完

成。

**2. 线程切换是否需要CPU变态？**

线程调度、切换等工作都由内核负责，因

此 内核级线程的切换 必然需要在 核心态 下才

能完成。

**3. 操作系统是否能意识到内核级线程的存在？**

操作系统会为每个内核级线程建立相应的

TCB （ Thread Control Block ，线程控制块），

通过 TCB 对线程进行管理。 “内核级线程” 就

是 “从操作系统内核视角看能看到的线程”

**4. 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？**

优缺点

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可

以继续执行，并发能力强。多线程可在多核

处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，

线程切换由操作系统内核完成，需要切换到

核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

### **多线程模型** ###

#### 一对一模型 ####

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一对一 模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

#### 多对一模型 ####

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多对一 模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高

缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

重点重点重点：

操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有 内核级线程才是处理机分配的单位 。

#### 多对多模型 ####

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多对多 模型： n  用户及线程映射到  m  个内核级线程（ n >= m ）。每个用户进程对应  m  个内核级线程。

克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞），又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

可以这么理解：

用户级线程是“代码逻辑”的载体

内核级线程是“运行机会”的载体

内核级线程才是处理机分配的单位 。 例如：多核CPU环境下，上图左边这个进程最多能被分配两个核。

一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行

内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞

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