第4章多线程——内容提要

第4章多线程——内容提要 • 线程的概念 • 线程的好处 • 应用线程的例子 • 线程的状态和线程管理 • 多线程的实现 • Solaris操作系统的线程机制 • Mach操作系统的线程机制 • 习题

进程和线程的执行示意图 三个进程各占自己的资源，独自执行同一进程中三个线程公用资源，独自执行

线程的概念和性质 • 进一步提高并行性的需求 • 并行性（多处理器）和并发性（单处理器） • 对并行的实际需求 • 并发的开销大：模式转换和进程开关 • 降低进程开关的开销的思路：将进程的资源占有和运行单元体的两个角色分开 • 定义：线程是进程内的一个相对独立的、可调度的执行单元。 • 性质： • 进程内一个相对独立的可执行单元 • 操作系统的基本调度单元 • 每个进程至少要有一个或一个以上的线程 • 线程可以创建其他线程 • 同一个进程中的线程共享该进程的资源 • 线程间需要通信和同步机制 • 线程有生命期，有诞生和死亡

采用线程机制带来的好处 • 创建和撤消线程的开销大大小于创建和撤消进程的开销 • 线程开关的开销大大小于进程开关开销 • 增加了通信的有效性 • 为便于实现线程机制，促使程序员设计结构良好的程序

应用线程的例子 • 前台和后台：输入、检查、修改、打印 • 异步处理：定期备份 • 加快处理速度：对数据的并行处理 • 组织复杂的工作：如DBMS对SQL语句的处理 • 同时处理多个用户的服务请求：如民航售票或证券交易

线程的状态和线程管理 • 线程状态：就绪、运行、等待(p.62图4-1) • 几点说明：无挂起状态；使用I/O时是否阻塞其他线程；进程的状态只与资源有关了 • 线程的描述 • 进程现场：映象和保护体系（与资源有关） • 线程现场：状态、运行现场、执行堆栈…（与运行有关） • 用面向对象的形式表示线程控制块（TCB） • 对象和类的概念 • 进程对象和线程对象：p.65表4.1和表4.2 • 线程的管理、线程组 • 基本管理方式：TCB队列 • 线程控制原语：创建、撤消、阻塞、挂起、解挂… • 以线程组的形式成组管理线程

多线程的实现(1) • 基于线程观点的操作系统分类：单进程单线程（MS-DOS）；多进程单线程（传统UNIX）；单进程多线程；多进程多线程（WINDOWS NT等）p.67 • 用户级和内核级线程：p.70图4.4 • 用户级线程（ULT）：定义；实现方式—线程库；优点（开销小；适应多类应用；适应多种操作系统）；问题（I/O时阻塞；时间片轮转时线程与进程状态不协调）；缺点（阻塞多个线程；饥饿；无法享受多处理器）；解决方案（监控程序和虚拟时钟、I/O外套程序）；其他问题（对共享存区的保护、多CPU）；实际数据

多线程的实现(2) • 内核级线程（KLT）：什么是KLT；优点（多处理器并行；阻塞时不相互牵制；内核线程）；缺点（进出操作系统的两次模式转换的开销） • KLT和ULT结合的方法：p.70图4.4c;四个容易混淆的术语的解释（针对线程主，还是针对线程运行的地址空间而言） • 线程库： • 功能：支持ULT的开发和应用 • 所提供的过程调用 • 实现要点：尽量减少目态/管态间转换（每次转换都涉及在不同的地址空间之间复制数据，开销很大）；线程调度；编程接口

Solaris操作系统的线程机制 • Solaris的多线程结构：有关概念及图示 • 轻质进程 • UNIX和Solaris的进程表的比较：Solaris的进程不包括处理器现场，该现场在轻质进程数据块。 • 轻质进程的本质是一个特殊的用户线程 • 轻质线程的局限性：开销大；占用内核资源多；仅涉及用户空间（即上层）的操作开销小，同时涉及上下层的开销大。 • 内核线程：数据结构；Solaris内核构成 • 用户线程：完全由线程库管理，与内核无关。 • 线程的执行 • 用户线程与轻质进程多对多：用户线程状态变化图(p.75);LWP状态变化图(p.76) • 用户进程与轻质进程一对一：走则同行；停则同停 • 内核中断线程 • 中断处理由中断线程执行，并用锁或信号量互斥 • 实现方法及其性能分析(p.77页首)

Solaris多线程结构的有关概念 • 进程； • 用户级线程ULT：通过在进程地址空间的线程库实现； • 轻质进程LWP：LWP是用户级线程与内核级线程之间的映射。LWP被内核独立调度并可在多处理器上并行执行； • 内核级线程KLT：被调度并分派到一个处理器上执行的基本实体。

进程5 进程4 进程2 进程3 线程库线程库线程库线程库 u u u u u u u u u u u u k k k k k k k k k Solaris的多线程结构有关概念图示用户空间进程1 线程库 L L L L L L L L L 内核线程调度程序 CPU CPU CPU CPU CPU 硬件

Mach操作系统的线程机制 • 任务（类似进程）和线程 • 线程的数据结构(p.77) • 与线程相关的系统调用：创建、终止、挂起、恢复等 • 线程分类：纯内核线程；用户任务的线程（相当于Solaris中的轻质进程） • 线程库 • 线程库的实现方法 • 基于线程(default)：每个用户线程使用一个内核用户线程（相当于轻质进程），抢占式调度 • 基于协同例程：多个用户线程对应一个内核用户线程，不可抢占式调度 • 基于任务：每个线程使用一个Mach 任务（即UNIX进程）

习题 • 4.2 • 4.3 • 4.4 • 4.5 • 4.10

第4章 多线程——内容提要