操作系统7————线程
一. 目录
二. 线程的引入
1. 线程引入的原因
进程是一个资源的拥有者，因而在创建，撤销和切换中，系统他需要付出较大的时空开销，这就限制了系统中所设置进程的数目，而且进程切换也少不易过于频繁，这就限制了并发程序的进一步提高。
如何使多个程序更好的并发执行，同时有尽量的减少系统的开销。有学者提出将进程的两个属性分开，即不把调度和分派的基本单位同时作为拥有资源的基本单位。这种思想下，诞生了线程。
2. 线程和进程的对比
我们从下面6个方面对线程和进程进行对比。
a. 调度的基本单位
在传统的OS中，进程是作为独立调度和分派的基本单位，因而进程是能独立运行的基本单位。在引入线程的OS中，将线程作为调度和分派的基本单，因而线程是能独立运行的基本单位。
在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程的线程切换到另一个进程的线程时，必然会引起进程的切换。
b. 并发性
在引入线程的OS中，不仅线程能够并发执行，而且线程之间也可以并发执行。这使得OS拥有更好的并发性，从而能更加有效的提高系统的的利用率和系统的吞吐量
c. 拥有资源
进程可以拥有资源，并作为系统中拥有资源的一个基本单位。
线程本身并不拥有系统资源，而是仅有一点必不可少的，能够保证独立运行的资源。比如:在每个线程中应有一个控制线程运行的线程控制块TCB，用于被执行指令的程序计数器，保留局部变量，少数状态参数和返回地址等一组寄存器和堆栈。
线程除了拥有自己的少量资源外，还允许多个线程共享该进程所拥有的资源，这表明：属于同一进程的所有线程都具有相同的地址空间，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址，可以访问该进程所拥有的资源。
d. 独立性
在同一进中不同线程之间的独立性，要比不同进程之间的独立性低的多。从前面就可以知道，进程拥有自己独立的系统资源，而同一进程下的不同进程，共享所属进程的资源。
e. 系统开销
在创建和撤销进程时，系统都要为其分配或回收进程控制块，分配或回收其他资源。OS为此付出的开销，明显大于线程创立或撤销的开销，
类似的，在进程切换时，涉及到进程上下文的切换，而线程的切换代价也远低于进程，
f. 支持多处理机系统
在多处理机系统中，对于传统的进程，不管有多少处理机，该进程只能运行一个处理机。但对于多进程，就可以将一个进程的多个线程分配到多个处理机上，使他们可以并行执行。
3.进程和线程的关系
- 线程是进程的一个组成部分。每个进程创建时通常只有一个线程，需要时可创建其他线程。
- 进程的多线程都在进程的地址空间活动。
- 资源是分给进程的，不是分给线程的。线程在执行中需要资源时，可从进程资源中划分。
- 处理机调度的基本单位是线程，线程之间竞争处理机。真正在CPU上运行的是线程。
- 线程在执行时，需要同步。
三，线程的状态
1. 线程运行的三个状态
和传统进程类似，线程在运行时，也具有下述三种基本状态:
- 执行状态：表明线程已获得处理机正在运行
- 就绪状态: 指线程已具备了各种执行条件，只需在获得CPU便可以立即执行
- 阻塞状态：指线程在执行过程因某事件受阻而处于暂停状态
2. 线程的创建和终止
线程的创建
程序在启动时，通常只有一个线程在执行，人们把该线程称为“初始化线程”,它的主要功能就是用于创建新线程，在创建新线程时，需要利用一个线程创建函数，并提供相应的参数，如指向线程主程序的入口指针，堆栈的大小，以及用于调度的优先级。
线程的终止
当一个线程完成自己的任务后，或者线程在运行中出现异常情况而须强行终止时，由终止线程通过调用相应的函数对它执行终止操作。但有些线程，它们一但被建立起来，便会一直运行下去。在大多数OS中，线程被终止后并不立即释放它所占有的资源，只有当进程中其他线程执行了分离函数后，被终止的线程才与资源分离，此时的资源才能被其他线程利用。
3.线程的控制块PCB
线程控制块通常包括以下信息:
- 线程标识符
- 一组寄存器
- 线程运行状态
- 优先级
- 线程专有存储区
- 信号屏蔽
四. 线程的实现
1. 用户级线程(User-Level Threads)
特点:
- 仅存在于用户级中
- 由应用程序通过线程库完成所有线程的管理
- 内核不知道线程的存在,线程切换不需要内核特权
- 内核管理含线程的进程的活动,但不管理线程
- 当用户级线程调用系统调用时,整个进程阻塞
通过线程库完成:
- 线程的创建、撤消和调度切换
- 在线程之间传递消息和数据
- 保护和恢复线程上下文
优点：
- 线程切换不调用内核
- 调度是应用程序特定的：可以选择最好的算法
- ULT可运行在任何操作系统上(只需要线程库)
缺点:
- 用户级线程调用系统调用时, 内核把它看为整个进程的行为, 整个进程(含所有线程)将被阻塞。
- 内核只将处理器分配给进程, 同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上。
2. 内核支持线程(Kernel Supported Threads)
特点:
- 所有线程管理由内核完成
- 内核维护进程和线程的上下文
- 线程之间的切换需要内核支持
- 以线程为基础进行调度
优点:
- 对多处理器, 内核可以同时调度同一进程的多个线程, 多个线程能同时运行于多个处理器上。
- 阻塞是在线程一级完成的
- 内核例程是多线程的
缺点：
- 在同一进程内的线程切换要调用内核, 导致速度下降。
3. 两种结合
是用户级线程与内核级线程结合实现的
用户级线程(ULT ) —线程库：
- 可在应用进程中建立多个(ULT )
- 每个ULT需要一个栈和程序计数器
- 不受调度程序的调度, 线程切换快
- 对内核不可见, 提供应用程序并行性接口
- 系统可拥有数千个ULT
内核级线程(KLT ) ：
- 设置了大量KLT
- 有一个小的数据结构和栈, 速度快
- 它们完成内核的所有工作
- 调度处理器的单位, 其结构由内核维护
五.参考资料
《操作系统第四版》