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文章目錄

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• 2 進(jìn)程和線程
• • 2.1 進(jìn)程
  • • 2.1.1 進(jìn)程模型
    • 2.1.2 進(jìn)程的創(chuàng)建
    • 2.1.3 進(jìn)程的終止
    • 2.1.4 進(jìn)程的層次結(jié)構(gòu)
    • 2.1.5 進(jìn)程的狀態(tài)
    • 2.1.6 進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)
  • 2.2 線程
  • • 2.2.1 進(jìn)程的使用
    • 2.2.2 經(jīng)典的線程模型
    • 2.2.3 POSIX線程
    • 2.2.4 在用戶(hù)空間中實(shí)現(xiàn)線程
    • 2.2.5 在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)線程
    • 2.2.6 混合實(shí)現(xiàn)
    • 2.2.7 調(diào)度程序激活機(jī)制

2 進(jìn)程和線程

在操作系統(tǒng)中，最核心的概念是進(jìn)程，這是對(duì)正在運(yùn)行程序的一個(gè)抽象。操作系統(tǒng)的其他內(nèi)容都是圍繞進(jìn)程的概念來(lái)展開(kāi)的。

2.1 進(jìn)程

在只有一個(gè)用戶(hù)的PC機(jī)開(kāi)機(jī)的時(shí)候，實(shí)際上會(huì)秘密啟動(dòng)很多進(jìn)程。例如，啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程用來(lái)等待進(jìn)入的電子郵件；或者啟動(dòng)另一個(gè)防病毒進(jìn)程周期性地檢查是否有病毒庫(kù)更新。或者更好笑的是，一開(kāi)機(jī)就是垃圾捆綁軟件，什么2345，什么網(wǎng)頁(yè)游戲，這些都是進(jìn)程。這么多進(jìn)程的活動(dòng)都是需要管理的，于是有一個(gè)支持多進(jìn)程的多道程序系統(tǒng)在這里顯得就很有用了。

在任何多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，CPU能夠很快地切換進(jìn)程，這個(gè)很快是幾百毫秒哦。這也就讓人產(chǎn)生一種并行的錯(cuò)覺(jué)，在一秒鐘內(nèi)怎么開(kāi)了這么多進(jìn)程？同時(shí)開(kāi)的嗎？不是，實(shí)際上在一瞬間只能有一個(gè)進(jìn)程讓CPU服務(wù)，只是進(jìn)程切換地太快了，這就是偽并行。這和真正意義上的并行是有區(qū)別的，這也導(dǎo)致了此情形可以用來(lái)作為判別是否為多處理器系統(tǒng)的指標(biāo)。

2.1.1 進(jìn)程模型

在進(jìn)程模型中，計(jì)算機(jī)上所有可運(yùn)行的軟件，通常也包括操作系統(tǒng)，被組織成若干順序進(jìn)程，簡(jiǎn)稱(chēng)進(jìn)程(process)，進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程。

每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的虛擬CPU，當(dāng)然，實(shí)際上真正的CPU在各進(jìn)程之間來(lái)回切換。我們?cè)谥暗?.1.2 中時(shí)間復(fù)用技術(shù)曾經(jīng)提到過(guò)，當(dāng)一個(gè)資源在時(shí)間上復(fù)用時(shí)，不同的程序或用戶(hù)輪流使用它。實(shí)際上對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)也是如此，在時(shí)間上進(jìn)行復(fù)用的時(shí)候，不同的進(jìn)程輪流使用它。這種快速地切換是需要特定的設(shè)計(jì)的，我們稱(chēng)為多道程序設(shè)計(jì)。

如下圖，在一段時(shí)間內(nèi)，CPU為多個(gè)進(jìn)程服務(wù)，但是觀察c圖，實(shí)際上在某個(gè)瞬間CPU只服務(wù)一個(gè)進(jìn)程。

當(dāng)然在上述的思考中，我們僅僅討論的是單核CPU，而不是多核。如果是多核CPU，根據(jù)我們之前所說(shuō)，多核CPU可以看成一個(gè)大CPU里面裝了多個(gè)小的CPU；甚至于有的電腦還不止一個(gè)CPU，對(duì)于一些并行計(jì)算機(jī)，多處理器的情況也是很常見(jiàn)的。

對(duì)于大多數(shù)進(jìn)程來(lái)說(shuō)并不受CPU多道程序設(shè)計(jì)或其他進(jìn)程相對(duì)速度的影響，因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程占用所需CPU的時(shí)間是不同的，所以我們無(wú)法確定在快速切換進(jìn)程的過(guò)程中，需要給每個(gè)進(jìn)程多久的處理時(shí)間處理完才切換。這時(shí)候就迫切的需要干一件事，既然我無(wú)法確定一個(gè)進(jìn)程需要多久的CPU，那我干脆每個(gè)進(jìn)程占有CPU的時(shí)間都相同，但是在對(duì)一個(gè)進(jìn)程處理未完的情況下，我需要有一種物件能夠保存其未處理完的狀態(tài)，就像別人玩單機(jī)游戲玩到一半去喝水一樣。在后面的小節(jié)中，我們會(huì)給出這個(gè)物件。

2.1.2 進(jìn)程的創(chuàng)建

有4種主要事件會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程的創(chuàng)建：

• 系統(tǒng)初始化
• 正在運(yùn)行的程序執(zhí)行了創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用
• 用戶(hù)請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程
• 一個(gè)批處理作業(yè)的初始化

啟動(dòng)操作系統(tǒng)時(shí)，通常會(huì)創(chuàng)建若干個(gè)進(jìn)程，有些事可以同用戶(hù)交互并且替他們工作的前臺(tái)進(jìn)程，其余的為后臺(tái)進(jìn)程。如果想要查看進(jìn)程，在windows操作系統(tǒng)中可以使用任務(wù)管理器，在linux系統(tǒng)中可以用ps指令。

在像windows和ubuntu這樣的交互式系統(tǒng)中，點(diǎn)擊某個(gè)圖標(biāo)都可以啟動(dòng)一個(gè)程序，啟動(dòng)的時(shí)候就相當(dāng)于開(kāi)啟了一個(gè)新的進(jìn)程。

在一個(gè)進(jìn)程開(kāi)始的時(shí)候，可以不打開(kāi)窗口，也可以打開(kāi)一個(gè)或多個(gè)窗口，用戶(hù)可以用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)在窗口內(nèi)與進(jìn)程交互，比如打開(kāi)QQ的時(shí)候和別人用鍵盤(pán)打字聊天。

還有一種情況是在大型的批處理系統(tǒng)中，在操作系統(tǒng)認(rèn)為有資源可以運(yùn)行另一個(gè)作業(yè)時(shí)，它創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，并運(yùn)行其輸入隊(duì)列中的下一個(gè)作業(yè)。

我們知道系統(tǒng)調(diào)用的作用之一是控制進(jìn)程。在Unix系統(tǒng)中，只有一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用可以用來(lái)創(chuàng)建進(jìn)程，即fork。而在Windows中則是用Win32函數(shù)調(diào)用CreateProcess來(lái)負(fù)責(zé)進(jìn)程的創(chuàng)建和程序裝入進(jìn)程的過(guò)程。除了CreateProcess，Win32還有大約100個(gè)其他的函數(shù)用于進(jìn)程的管理。

2.1.3 進(jìn)程的終止

有4種主要事件會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程的終止：

• 正常退出
• 出錯(cuò)退出
• 嚴(yán)重錯(cuò)誤
• 被其他進(jìn)程殺死

正常退出就沒(méi)什么好說(shuō)了，Unix用的是exit，Windows調(diào)用的是ExitProcess。

出錯(cuò)退出一般還好說(shuō)，如果用戶(hù)在Linux鍵入命令cc foo.c要編譯文件foo.c，但是該文件不存在，那么編譯器就會(huì)退出。

如果是嚴(yán)重錯(cuò)誤，比如分母為0，數(shù)組越界，空指針異常這類(lèi)錯(cuò)誤，那么進(jìn)程會(huì)收到信號(hào)然后中斷。

最后一種在linux很常見(jiàn)的就是kill命令，利用kill 進(jìn)程號(hào)可以殺死一個(gè)進(jìn)程，而在Win32用的則是TerminateProcess函數(shù)。

2.1.4 進(jìn)程的層次結(jié)構(gòu)

在前面，我們?cè)?jīng)提到父子進(jìn)程這個(gè)名詞，那么什么是父子進(jìn)程呢？

在Unix中，通過(guò)fork函數(shù)創(chuàng)建的新進(jìn)程是原進(jìn)程的子進(jìn)程，而調(diào)用fork函數(shù)的進(jìn)程是fork函數(shù)創(chuàng)建出來(lái)的新進(jìn)程的父進(jìn)程。也就是說(shuō)，通過(guò)fork函數(shù)創(chuàng)建的新進(jìn)程與原進(jìn)程是父子關(guān)系，fork就相當(dāng)于一個(gè)憑證，有fork，就有父子關(guān)系。

但是這也有一個(gè)問(wèn)題，我們學(xué)過(guò)java的都知道，繼承的父類(lèi)和子類(lèi)共享屬性，那么對(duì)應(yīng)到這里的父子進(jìn)程是否也有共享資源的說(shuō)法呢？

事實(shí)是，父進(jìn)程和子進(jìn)程的共享方式采用的是寫(xiě)時(shí)復(fù)制，即兩個(gè)進(jìn)程在讀資源的時(shí)候的確是共享，但是在寫(xiě)資源的時(shí)候，寫(xiě)資源的那個(gè)進(jìn)程先把資源拷貝一份然后進(jìn)行操作，操作完然后在覆蓋到原來(lái)的資源上，在這個(gè)過(guò)程中我們可以發(fā)現(xiàn)，可寫(xiě)的內(nèi)存時(shí)不可以被共享的。

經(jīng)過(guò)上面的說(shuō)明，我們可以大概知道這么個(gè)事，子進(jìn)程是父進(jìn)程創(chuàng)建出來(lái)的。父進(jìn)程可以有多個(gè)子進(jìn)程，但是子進(jìn)程只可以有一個(gè)父進(jìn)程。在Unix中，父進(jìn)程和所有子進(jìn)程組成了一個(gè)進(jìn)程組，當(dāng)一個(gè)信號(hào)傳入進(jìn)程組，進(jìn)程組的每個(gè)進(jìn)程成員皆可以捕獲該信號(hào)，并且采取相應(yīng)的動(dòng)作。

但是在Windows則沒(méi)有這些說(shuō)法，所有的進(jìn)程地位都是相同的。

2.1.5 進(jìn)程的狀態(tài)

進(jìn)程之間時(shí)常要相互作用，如Linux命令：cat chapter1 | grep tree，這個(gè)命令啟動(dòng)了兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)是cat，它將chapter文件進(jìn)行輸出；一個(gè)是grep，它在cat輸出的文件中去搜索含有tree的那些單詞。

從這個(gè)過(guò)程我們可以發(fā)現(xiàn)一件事，如果cat進(jìn)程還沒(méi)好，grep進(jìn)程就無(wú)法運(yùn)行。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在邏輯上不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，他就會(huì)被阻塞。

經(jīng)過(guò)上面的敘述，我們引入最簡(jiǎn)單的三種狀態(tài)：

狀態(tài)說(shuō)明

運(yùn)行態(tài)	該時(shí)刻進(jìn)程實(shí)際占用CPU
就緒態(tài)	可運(yùn)行，但是因?yàn)槠渌M(jìn)程正在運(yùn)行而暫時(shí)停止
阻塞態(tài)	除非某種外部事件發(fā)生，否則進(jìn)程不能運(yùn)行

對(duì)于就緒態(tài)來(lái)說(shuō)，很多人可能會(huì)和阻塞態(tài)搞混；實(shí)際上，就緒態(tài)是萬(wàn)事俱備只欠CPU，即資源都準(zhǔn)備好了但是沒(méi)有CPU給它用，而阻塞態(tài)則像我們上面引入的例子，因?yàn)槟硞€(gè)事情還沒(méi)做好而導(dǎo)致其處于一個(gè)等待（阻塞）狀態(tài)，這也是為什么有時(shí)候阻塞態(tài)被稱(chēng)為等待態(tài)的原因。

特別典型的例子是C++中我們可以使用

system("pause")；

來(lái)讓該進(jìn)程處于阻塞狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換上圖的2和3是由進(jìn)程調(diào)度程序引起的，進(jìn)程調(diào)度程序是操作系統(tǒng)的一部分。實(shí)際上進(jìn)程調(diào)度也被叫做低級(jí)調(diào)度，當(dāng)系統(tǒng)認(rèn)為一個(gè)運(yùn)行進(jìn)程占用處理器太久了，他就會(huì)讓其他進(jìn)程去占用CPU，此時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換2；當(dāng)系統(tǒng)已經(jīng)讓所有的程序都占用過(guò)CPU了，公平了，那么這個(gè)時(shí)候就會(huì)“重新洗牌”，第一個(gè)進(jìn)程再次占有CPU，此時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換3；當(dāng)進(jìn)程等待的一個(gè)外部事件發(fā)生時(shí)，則發(fā)生轉(zhuǎn)換4，當(dāng)CPU此時(shí)空閑，則可以發(fā)生轉(zhuǎn)換3，該進(jìn)程立刻運(yùn)行，否則該進(jìn)程將處于就緒態(tài)，等待CPU空閑。

2.1.6 進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程模型，操作系統(tǒng)維護(hù)著一張表格，即進(jìn)程表。每個(gè)進(jìn)程都占有一條元組（數(shù)據(jù)庫(kù)的說(shuō)法），每條元組即PCB（進(jìn)程控制塊），該元組中包含了進(jìn)程狀態(tài)的重要信息，包括程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、內(nèi)存分配情況、所打開(kāi)文件的狀態(tài)、賬號(hào)和調(diào)度信息以及其他在進(jìn)程由運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒態(tài)或阻塞態(tài)時(shí)必須保存的信息，從而保證該進(jìn)程隨后能夠再次啟動(dòng)。

一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中可能被中斷數(shù)千次，但由于PCB的存在，即使中斷，也可以返回到發(fā)生中斷前完全相同的狀態(tài)。

2.2 線程

在很久以前還沒(méi)有引入進(jìn)程之前，系統(tǒng)中的各個(gè)程序只能串行執(zhí)行。比如你想要邊聽(tīng)歌邊開(kāi)QQ，這是不可能做到的，只能先做一件事再做一件事。

后來(lái)引入進(jìn)程后，系統(tǒng)中的各個(gè)程序可以并發(fā)執(zhí)行。也就是說(shuō)，可以同時(shí)聽(tīng)歌和開(kāi)QQ。但是，即使引入了進(jìn)程，也不能在QQ中同時(shí)視頻聊天和傳輸文件。這是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)每一次執(zhí)行都是按照進(jìn)程為單位來(lái)執(zhí)行的。

從上面的例子來(lái)看，進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行。但是這些功能顯然不可能是由一個(gè)程序順序處理就能實(shí)現(xiàn)的。

有的進(jìn)程可能需要“同時(shí)做很多事”，而傳統(tǒng)的進(jìn)程只能串行地執(zhí)行一系列程序。為此，引入了線程來(lái)提高并發(fā)度。

在傳統(tǒng)中，進(jìn)程是程序執(zhí)行流的最小單位，也就是說(shuō)，CPU每次執(zhí)行任務(wù)，最少執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程。而后在現(xiàn)在，CPU每次執(zhí)行任務(wù)，最少執(zhí)行一個(gè)線程，線程是進(jìn)程的子集。也就是說(shuō)，引入線程后，線程成為了程序執(zhí)行流的最小單位。

綜上所述，我們可以把線程理解為“輕量級(jí)進(jìn)程”。線程是一個(gè)基本的CPU執(zhí)行單元，也是程序執(zhí)行流的最小單位。引入線程之后，不僅是進(jìn)程之間可以并發(fā)，進(jìn)程內(nèi)的各線程之間也可以并發(fā)，從而進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的并發(fā)度，使得一個(gè)進(jìn)程內(nèi)也可以并發(fā)處理各種任務(wù)（如QQ視頻、文字聊天、傳文件）。引入線程后，進(jìn)程只作為除CPU之外的系統(tǒng)資源的分配單元（如打印機(jī)、內(nèi)存地址空間等都是分配給進(jìn)程的）。

2.2.1 進(jìn)程的使用

如上所說(shuō)，為了追求多功能的同時(shí)運(yùn)行，輕量級(jí)進(jìn)程顯得尤為重要，線程比進(jìn)程更輕量級(jí)，它們比進(jìn)程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷(xiāo)。

舉一個(gè)例子說(shuō)明為什么線程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷(xiāo)。假如我們用電腦寫(xiě)一本書(shū)，通常的做法是創(chuàng)建一個(gè)doc文件直接寫(xiě)，這樣的話(huà)如果中間要查詢(xún)某個(gè)東西非常方便，你只需要用WPS自帶的查找或者Office的查找都可以完成這個(gè)工作，這就是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)含有多個(gè)線程的現(xiàn)實(shí)模型。

但是如果你采用創(chuàng)建一個(gè)文件夾，一個(gè)文件夾內(nèi)含有多個(gè)章節(jié)的文件，那么你每次要處理某個(gè)章節(jié)的一小段都需要完成打開(kāi)文件，修改內(nèi)容，關(guān)閉文件等一系列操作，十分麻煩。

綜上所述，我們可以總結(jié)如下：

資源分配、調(diào)度并發(fā)性系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)

傳統(tǒng)進(jìn)程機(jī)制中，進(jìn)程是資源分配、調(diào)度的基本單位	傳統(tǒng)進(jìn)程機(jī)制中，只能進(jìn)程間并發(fā)	傳統(tǒng)的進(jìn)程間并發(fā)，需要切換進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)很大。
引入線程后，進(jìn)程是資源分配的基本單位，線程是調(diào)度的基本單位	引入線程后，各線程間也能并發(fā)，提高了并發(fā)度	線程間并發(fā)，如果是同一進(jìn)程內(nèi)的線程切換，則不需要切換進(jìn)程環(huán)境，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小，也就是說(shuō)引入線程后，并發(fā)所帶來(lái)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)減小。

2.2.2 經(jīng)典的線程模型

進(jìn)程模型基于兩種獨(dú)立的概念：資源分組處理和執(zhí)行。引入線程后，由于一個(gè)進(jìn)程含有多個(gè)線程，所以功能的執(zhí)行依賴(lài)于線程的切換，而不必使用開(kāi)銷(xiāo)更大的進(jìn)程切換，線程的切換即涉及到線程的調(diào)度；而對(duì)于多個(gè)線程來(lái)說(shuō)，其使用的是同一個(gè)資源，程序所需的資源分配的基本單位是進(jìn)程而不是線程，多個(gè)線程共享同一個(gè)資源。

在每個(gè)線程中，通常帶有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器、寄存器和堆棧指針，這和進(jìn)程是十分類(lèi)似的。線程給進(jìn)程模型增加的內(nèi)容即同一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，其切換我們?cè)谇懊嬉蔡岬竭^(guò)，CPU允許多線程切換納秒級(jí)完成。

和傳統(tǒng)進(jìn)程一樣，線程也有進(jìn)程所擁有的進(jìn)程狀態(tài)。在Windows中線程的創(chuàng)建時(shí)通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)thread_create創(chuàng)建的，調(diào)用庫(kù)函數(shù)thread_exit進(jìn)行退出。

2.2.3 POSIX線程

為了實(shí)現(xiàn)可移植的線程程序，IEEE定義了線程的標(biāo)準(zhǔn)。它定義的線程包叫做pthread，大部分UNIX系統(tǒng)支持該標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了超過(guò)60個(gè)函數(shù)調(diào)用。常見(jiàn)的幾個(gè)如下所示：

2.2.4 在用戶(hù)空間中實(shí)現(xiàn)線程

有兩種主要的方法實(shí)現(xiàn)線程包：在用戶(hù)空間中和內(nèi)核中。

第一種方法是把整個(gè)線程包放在用戶(hù)空間中，內(nèi)核對(duì)線程包一無(wú)所知。這樣的話(huà)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，即使用戶(hù)開(kāi)多條線程，內(nèi)核還是以為只有一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)樗⒉恢肋M(jìn)程內(nèi)發(fā)生了啥，所以這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)單線程進(jìn)程。即使多個(gè)線程處理機(jī)也是分配其中一個(gè)。

以上的情況比較明顯地體現(xiàn)是在Java中利用thread開(kāi)啟多線程，多條線程的執(zhí)行并不是并行地，而是并發(fā)地，你可以在兩條線程中各自打印一點(diǎn)東西，然后同時(shí)啟動(dòng)你就能了解到效果了。

在用戶(hù)空間管理線程時(shí)，每個(gè)進(jìn)程需要有其專(zhuān)用的線程表，用拉力跟蹤該進(jìn)程中的線程。這些表和內(nèi)核中的進(jìn)程表類(lèi)似，不過(guò)它們僅僅記錄各個(gè)線程的屬性，如每個(gè)線程的程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、寄存器和狀態(tài)等。

用戶(hù)級(jí)線程有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許每個(gè)進(jìn)程有自己定制的調(diào)度算法，并且其具有較好的擴(kuò)展性，你可以多開(kāi)幾條線程，但是在內(nèi)核空間中萬(wàn)一開(kāi)多了線程是會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的。

其另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在用戶(hù)級(jí)線程下，線程的切換開(kāi)銷(xiāo)小，其無(wú)需切換為核心態(tài)；如果是內(nèi)核級(jí)切換線程，需要陷入內(nèi)核，開(kāi)銷(xiāo)較大。

有一個(gè)問(wèn)題我們前面提到，如果是在用戶(hù)空間下實(shí)行多線程，那么實(shí)際上處理器的占用取決于內(nèi)核中有多少條線程。如果用戶(hù)空間里有6條線程，而內(nèi)核中只有一條線程，那么實(shí)際處理線程時(shí)，處理器只會(huì)用到一個(gè)。也就是說(shuō)，如果在用戶(hù)空間下實(shí)行多線程，那么一旦有一條線程阻塞，那么其他所有線程都將阻塞。

系統(tǒng)調(diào)用實(shí)際上是可以全部改成非阻塞的，但是這需要修改操作系統(tǒng)。還有一種替代方案是某個(gè)調(diào)用如果阻塞了就提前通知，但是這個(gè)處理方法需要重寫(xiě)部分系統(tǒng)調(diào)用庫(kù)，所以也不太好，但是可惜的是，沒(méi)有第三種方法了。

用戶(hù)級(jí)線程包的最后一個(gè)問(wèn)題是，如果一個(gè)線程開(kāi)始運(yùn)行，那么在該進(jìn)程中的其他線程就不能運(yùn)行，除非第一個(gè)線程自動(dòng)放棄CPU，這和我們前面所講的是一樣的。需要知道的是，在一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程內(nèi)部是沒(méi)有時(shí)鐘中斷的，所以也就不可能以輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式調(diào)度線程。所以除非某個(gè)線程能夠按照自己的意志進(jìn)行運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，要不然調(diào)度程序是沒(méi)有任何機(jī)會(huì)的。

2.2.5 在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)線程

如圖所示，此時(shí)如果是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)線程，那么不需要運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)了。內(nèi)核實(shí)現(xiàn)線程的情況下，進(jìn)程表和線程表都由內(nèi)核控制。根據(jù)我們上一小節(jié)所說(shuō)，內(nèi)核控制的線程可以按照線程數(shù)來(lái)分配處理器，當(dāng)一個(gè)線程阻塞時(shí)，內(nèi)核會(huì)自動(dòng)切換另外一個(gè)線程。

雖然使用內(nèi)核線程可以解決阻塞等諸多問(wèn)題，但也不是一勞永逸，內(nèi)核級(jí)線程的管理工作由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成。線程調(diào)度、切換等工作都由內(nèi)核負(fù)責(zé)，因此內(nèi)核級(jí)線程的切換必然需要在核心態(tài)下才能完成，線程管理的成本高，開(kāi)銷(xiāo)大。

2.2.6 混合實(shí)現(xiàn)

在前面，我們說(shuō)的兩種情況如圖所示：

這兩個(gè)圖在有的書(shū)中也被叫做多對(duì)一模型和一對(duì)多模型。

但是既然這兩種模型各有各的缺點(diǎn)，為什么不聯(lián)合起來(lái)呢？將用戶(hù)級(jí)線程和某些內(nèi)核線程多路復(fù)用起來(lái)，這在一些書(shū)上叫做多對(duì)多模型，如圖所示：

采用這種方法的特點(diǎn)是：內(nèi)核還是只能識(shí)別內(nèi)核級(jí)線程，這也就導(dǎo)致了即使用戶(hù)級(jí)線程再多，處理器的分配數(shù)量還是依照內(nèi)核級(jí)線程來(lái)確定，但是不會(huì)再有阻塞問(wèn)題，也不會(huì)再有內(nèi)核線程開(kāi)多出毛病的問(wèn)題。

2.2.7 調(diào)度程序激活機(jī)制

盡管內(nèi)核級(jí)線程在一些關(guān)鍵點(diǎn)上優(yōu)于用戶(hù)級(jí)線程，但是內(nèi)核級(jí)線程速度慢是硬傷。為了保持其優(yōu)良特性并且改進(jìn)其速度，研究人員研究出了調(diào)度程序激活機(jī)制。

調(diào)度程序激活機(jī)制的本質(zhì)即：既然能在用戶(hù)空間中有這么大的便利，那我把內(nèi)核的權(quán)限給你不就行了，用戶(hù)線程如果發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)用是安全的，那么就行使內(nèi)核賦予的權(quán)限去處理即可，如果實(shí)在不能處理，再去陷入內(nèi)核交給內(nèi)核去處理。這樣的話(huà)，由于避免了在用戶(hù)空間和內(nèi)核空間之間的不必要轉(zhuǎn)換，從而提高了效率。

在2.2.4前面我們說(shuō)到過(guò)，多對(duì)一模型中，由于只有一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，所以一旦線程堵塞就完蛋了。這時(shí)候如果堵塞，內(nèi)核就會(huì)通知該進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，并且在堆棧中以參數(shù)形式傳遞有問(wèn)題的線程編號(hào)和所發(fā)生事件的一個(gè)描述。內(nèi)核通過(guò)在一個(gè)已知的其實(shí)地址啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，從而發(fā)出了通知，這種機(jī)制被叫做上行調(diào)用。一旦如此激活，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)就重新調(diào)度其線程。

在某個(gè)用戶(hù)線程運(yùn)行的同時(shí)發(fā)生一個(gè)硬件中斷時(shí)，被中斷的CPU切換進(jìn)內(nèi)核態(tài)。如果該線程沒(méi)有什么大問(wèn)題，在相關(guān)的事件發(fā)生后并處理完成，那么線程會(huì)通過(guò)與PCB同樣功能的TCB（線程控制塊）去重新啟動(dòng)自己所在的線程。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统随笔（二）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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