文章目錄

• 2.8 線程及其實現(xiàn)
• • 1.線程的概念
  • • 練習(xí)題
  • 2.線程的實現(xiàn)及控制
  • • 例題
    • 練習(xí)題

2.8 線程及其實現(xiàn)

1.線程的基本概念
2.線程的實現(xiàn)及控制

引入進程 的目的：
使多個程序能并發(fā)執(zhí)行，提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。
引入線程 的目的：
應(yīng)用的需要/ 開銷的考慮/ 性能的提升

開銷的考慮

（1）進程相關(guān)的操作：

• 創(chuàng)建進程
• 撤消進程
• 進程通信
• 進程切換
  → 時間/空間開銷大，限制了并發(fā)度的提高。

（2）線程的開銷小

• 創(chuàng)建一個新線程花費時間少（撤銷亦如此）
• 兩個線程切換花費時間少
• 線程之間相互通信無須調(diào)用內(nèi)核（同一進程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件）

性能的提升

• 多個線程，有的計算，有的I/O，進一步提高并發(fā)度。
• 充分利用多處理器的優(yōu)勢。

1.線程的概念

在同一進程增加了多個執(zhí)行序列（線程）

（1）線程：進程中的一個運行實體，是CPU的調(diào)度單位,有時將線程稱為輕量級進程
進程與線程

• 進程是資源分配單位
• 線程是CPU執(zhí)行單位
  多線程優(yōu)點
• 切換速度快（地址空間不變）
• 系統(tǒng)開銷小
• 通訊容易（共享數(shù)據(jù)空間）
  
  
  （2）線程模型
  每個線程擁有自己的棧：局部變量、返回地址
  （3）線程控制塊
• TCB（Thread control block)
  標志線程存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 其中包含對線程管理需要的全部信息．
• 內(nèi)容
  線程標識、線程狀態(tài)
  調(diào)度參數(shù)、現(xiàn)場(通用寄存器,PC,SP)
• 存放位置
  用戶級線程：目態(tài)空間
  核心級線程：管態(tài)空間

（4）線程的屬性：并發(fā)性、共享性、動態(tài)性

• 輕型實體：只有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源
• CPU調(diào)度的基本單位
• 可并發(fā)執(zhí)行
• 共享進程資源

（5）線程的優(yōu)點

• 快速切換；
• 易于通信；
• 并行度高；
• 節(jié)省內(nèi)存；
• 減少管理開銷。

（6）線程的基本狀態(tài)

• 執(zhí)行狀態(tài)
• 就緒狀態(tài)
• 阻塞狀態(tài)

（7）線程的創(chuàng)建和終止

• 線程的創(chuàng)建
  利用線程創(chuàng)建函數(shù)(或系統(tǒng)調(diào)用)；
  創(chuàng)建成功后，返回一個線程標識符。

• 線程的終止方式
  自愿退出
  被其它線程強行終止

（8）線程與進程的比較

• 線程：作為CPU調(diào)度單位。
  線程只擁有必不可少的資源，如：線程狀態(tài)、寄存器上下文和棧
  同樣具有就緒、阻塞和執(zhí)行三種基本狀態(tài)
• 進程：其它資源分配單位（存儲器、文件、IO等）。
• 調(diào)度：線程作為CPU調(diào)度的基本單位，而進程只作為其它資源分配單位。
• 并發(fā)性：進程之間可以并發(fā)，且一個進程的多個線程之間亦可并發(fā)。
• 擁有資源：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享資源。某進程內(nèi)的線程在其它進程不可見。
• 系統(tǒng)開銷：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。

練習(xí)題

1. 線程機制中，一個進程可以對應(yīng)多個線程，一個線程也可以對應(yīng)若干個進程。
解答： 錯！
一個進程可以擁有若干個線程，線程從屬于該進程，同一進程內(nèi)所有線程共享該進程的地址空間，而不同進程之間的地址空間是完全獨立的，如果一個線程可以對應(yīng)若干個進程，那么也就意味著不同進程之間的地址空間可以共享，這顯然是不合適的。

2.線程的實現(xiàn)及控制

• 用戶級線程——User-level thread
• 核心級線程——Kernel-level thread
• 混合線程——Hybrid approach

（1）用戶級線程和內(nèi)核支持線程

• 內(nèi)核支持線程，它們是依賴于內(nèi)核的，即無論是用戶進程中的線程，還是系統(tǒng)進程中的線程，它們的創(chuàng)建、撤消、切換都由內(nèi)核實現(xiàn)。
• 用戶級線程，對于這種線程的創(chuàng)建、撤消、和切換，都不用系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)。內(nèi)核并不知道用戶級線程的存在。

（2）核心級線程

• 所有線程管理由核心完成
• 沒有線程庫，但核心提供API
• 核心維護進程和線程的上下文
• 線程之間的切換需要核心支持
• 以線程為基礎(chǔ)進行調(diào)度
  
  當一個線程想去創(chuàng)建一個新線程或撤消已存在的線程時，它發(fā)出一個內(nèi)核調(diào)用，完成創(chuàng)建和回收工作。
  實現(xiàn)方法：
• 基于系統(tǒng)調(diào)用
• 創(chuàng)建、撤銷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)完成

優(yōu)點：

• 對多處理器，核心可以同時調(diào)度同一進程的多個線程
• 某線程阻塞，其它線程仍可執(zhí)行

缺點：

• 應(yīng)用程序線程在用戶態(tài)運行，而線程調(diào)度和管理在內(nèi)核實現(xiàn),在同一進程中，控制權(quán)從一個線程傳送到另一個線程時需要用戶態(tài)-內(nèi)核態(tài)-用戶態(tài)的模式切換，系統(tǒng)開銷較大。
• 調(diào)度算法不能靈活控制

（3）用戶級線程

運行時系統(tǒng)：用于管理和控制線程的函數(shù)集合。
（4）線程庫
提供線程運行管理系統(tǒng)：

• 創(chuàng)建、撤消線程
• 在線程之間傳遞消息和數(shù)據(jù)
• 調(diào)度線程執(zhí)行
• 保護和恢復(fù)線程上下文

用戶級的線程庫能在不支持線程的操作系統(tǒng)中實現(xiàn)線程

• 切換效率高
• 允許每一個進程有自已定制的調(diào)度算法

實現(xiàn)方法：

• 基于library函數(shù)，系統(tǒng)不可見
• 線程創(chuàng)建、撤銷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換在目態(tài)完成
• TCB在用戶空間，每個進程一個系統(tǒng)棧

優(yōu)點：

• 不依賴于操作系統(tǒng)，調(diào)度靈活
• 切換無須從目態(tài)到管態(tài)，速度快
• ULT可運行在任何操作系統(tǒng)上（只需要線程庫），可以在一個不支持線程的OS上實現(xiàn)

缺點：

• 核心只將處理器分配給進程，在多處理機中同一進程中多個線程不能真正并行
• 一個線程進入系統(tǒng)受阻，進程中其它線程不能執(zhí)行

例題

1. 設(shè)進程A擁有1個用戶級線程，進程B擁有100個用戶級線程，則在系統(tǒng)調(diào)度時各占用幾個時間片？
答：1個
2. 設(shè)進程A擁有1個內(nèi)核級線程，進程B擁有100個內(nèi)核級線程，則在系統(tǒng)調(diào)度時各占用幾個時間片？
答：A:1個;B:100個

用戶級線程與核心級線程的比較

（5）混合線程

• 在混合式線程系統(tǒng)中，內(nèi)核支持KLT多線程的建立、調(diào)度和管理；
• 同時,也提供線程庫，允許用戶應(yīng)用程序建立、調(diào)度和管理ULT；
• 一個應(yīng)用程序的多個ULT映射成一些KLT,程序員可按應(yīng)用需要和機器配置調(diào)整KLT數(shù)目，以達到較好效果；
• 混合式中，一個應(yīng)用中的多個線程能同時在多處理器上并行運行，且阻塞一個線程時并不需要封鎖整個進程。如果設(shè)計得當，混合式多線程機制能夠結(jié)合了兩者優(yōu)點，舍去缺點。

練習(xí)題

1. 在以下描述中，（C）并不是多線程系統(tǒng)的特長。
A. 利用線程并行地執(zhí)行矩陣的乘法運算
B. Web服務(wù)器利用線程響應(yīng)HTTP請求
C. 鍵盤驅(qū)動程序為每一個正在運行的應(yīng)用配備一個線程，用以響應(yīng)該應(yīng)用的鍵盤輸入
D. 基于GUI的調(diào)試程序用不同的線程分別處理用戶輸入、計算和跟蹤等操作

2. 同一進程中的多個線程有哪些成分是共用的，哪些成分是私用的？
答： 線程的公有成分包括:
代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、動態(tài)堆空間。
線程的私有成分包括：
線程控制塊；
一個執(zhí)行棧；
運行時動態(tài)分給線程的寄存器。

3. [2012考研試題 31]下列關(guān)于進程和線程的敘述中，正確的是(A)
A．不管系統(tǒng)是否支持線程，進程都是資源分配的基本單位
B．線程是資源分配的基本單位，進程是調(diào)度的基本單位
C．系統(tǒng)級線程和用戶級線程的切換都需要內(nèi)核的支持
D．同一進程中的各個線程擁有各自不同的地址空間

4. 在支持多線程的系統(tǒng)中，進程P創(chuàng)建的若干線程不嗯呢該共享的事（D）
A.進程的代碼段
B.進程P中打開的文件
C.進程P的全局變量
D.進程P中某線程的棧指針

5. 下列對線程的描述中，(B)是錯誤的。
A．不同的線程可執(zhí)行相同的程序
B．線程是資源分配單位
C．線程是調(diào)度和執(zhí)行單位
D．同一進程中的線程可共享該進程的主存空間

6. 以下說法中哪個是正確的？（C）
A.線程是進程中可獨立執(zhí)行的子任務(wù)，一個進程可以包含一個或多個線程，一個線程可以屬于一個或多個進程。
B.線程又稱為輕型進程，因為線程都比進程小。
C.多線程技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性，如速度快、通信簡便、并行性高等。
D.由于線程不作為資源分配單位，線程之間可以無約束地并行執(zhí)行。

**7.**進程與線程的根本區(qū)別是（C）
A．進程要占用一個進程控制塊，開銷較大，而線程無此開銷
B．進程會增加死鎖的機會，而線程有效避免了這一問題
C. 進程是資源分配單位，而線程是調(diào)度和執(zhí)行的單位
D. 進程是調(diào)度和執(zhí)行的單位，而線程是資源分配單位

8. 用戶級線程執(zhí)行時，同一進程不同線程的切換不需要內(nèi)核支持。
答： 正確

9. 在支持線程的操作系統(tǒng)中，同一個進程中的各個線程共享該進程的用戶棧。
答： 錯誤

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的『操作系统』 进程的描述与控制 Part4 线程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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