操作系统概念（高等教育出版社，第七版）复习——第四章：线程

第四章 线程

基础知识

线程

是进程的一个实体；

是被系统独立调度和分派的基本单位；

自己基本不拥有资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（e.g. 程序计数器、寄存器、栈）；

可与同属于一个进程的其他线程共享进程所拥有的资源；

可以创建和撤销另一个线程；

同一进程中的多个线程可以并发执行；

称为light-weight process。

Process –heavy-weight process

一个进程一般拥有若干线程，至少需要一个线程；

进程不再是一个可执行的实体。

概述

       线程是CPU使用的基本单元，它由线程ID、程序计数器、寄存器集合和栈组成。

       一个传统重量级的进程只有单个控制线程，如果进程有多个控制线程，那么它能同时做多个任务。

中文版课本P111图4.1多线程进程和单线程进程的区别。

多线程编程的优点

       响应度高：如果对一个交互程序采用多线程，那么即使其部分阻塞或执行较冗长的操作，该程序仍能继续执行，从而增加了对用户的响应程度。

资源共享：线程默认共享它们所属进程的内存和资源。

经济：进程创建所需要的内存和资源的分配比较昂贵。由于线程能共享它们所属进程的资源，所以创建和切换线程会更经济。。

多处理器体系结构的利用：不管有多少CPU，单线程进程只能运行在一个CPU上，在多CPU上使用多线程加强了并发功能。

多线程模型

多对一模型（将许多用户线程映射到一个内核线程）

一对一模型（每个用户线程映射到一个内核线程）

多对多模型（多路复用了许多用户线程到同样数量或更小数量的内核线程上）

OS中进程的引入

使多个程序并发执行，改善资源利用率，提高系统的吞吐量。

OS中引入线程

为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。

进程的两个基本特征

可拥有资源的独立单位，可以独立调度和分派的基本单位。

进程的这两个基本属性，使进程成为一个能独立运行基本单位，从而构成了进程并发执行的基础。

线程VS进程

调度：

传统的OS中，调度和分派的基本单位是进程，拥有资源的基本单位也是进程；

引入线程的OS中，调度和分派的基本单位是线程，拥有资源的基本单位是进程；

线程能轻装上阵，可显著地提高系统的并发度；

同一进程中，线程的切换不会引起进程切换；

不同进程中的线程之间的切换要引起进程的切换。

并发性：

引入线程的系统中，同一进程中的多个线之间可并发执行，使系统具有更好的并发性，进一步提高了资源的利用率及系统的吞吐量，例如web server、迅雷等。

拥有资源：

进程是拥有资源的独立单位；

线程仅拥有比不可少的资源，可以访问其隶属进程的资源；例如进程的代码段、数据段及系统资源，如已打开的文件、I/O设备等，可供同一进程的线程共享。

系统开销：

系统创建及撤销进程时的开销远远大于创建及撤销线程时的开销；

进程切换时的开销也远远大于线程切换时的开销；

由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使他们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易；

在有的OS中，线程的切换、同步和通信都无需OS内核的干预。

用户线程

用户级线程仅存在于用户空间中。对于这种线程的创建、 撤消、线程之间的同步与通信等功能，都无须利用系统调用来实现，而是通过用户级线程库来实现。

对于用户级线程的切换，通常是发生在一个应用进程的诸多线程之间，这时，也同样无需内核的支持，也是通过用户级线程库来管理的。

由于切换的规则远比进程调度和切换的规则简单，因而使线程的切换速度特别快。

这种线程的管理是与内核无关的。

用户级线程执行时，要将线程映射到核心线程才能执行。

内核线程

       系统支持线程，无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消和切换等，都是依靠内核实现的。

在内核空间中为每一个内核支持线程设置了一个线程控制块(TCB)，内核是根据该控制块而感知某线程的存在的，并对其加以控制。

用户线程和内核线程类比顾客和银行职员

线程库

目前主要三种线程库：POSIXPthread   Win32   Java

 

课后作业

4.2

在用户和内核线程之间设置一种中间数据结构（通常为LWP）来控制用户级线程上下文切换。

 

4.4

多线程进程共享堆内存和全局变量，每个线程拥有自己的寄存器和栈。

 

4.5

不能。操作系统只能看到一个单一的进程，内核一次只能调度一个线程，并没有增加并发性，所以不能获得更好的性能。

 

4.7

LINE C:CHILD:value=5

LINE P:PARENT:value=0

 

4.8

a.内核线程数比处理器数少会导致部分处理器空闲，性能最低

b.内核线程数与处理器数相等会导致处理器不空闲，但是当发生系统调用时相应处理器会空闲，性能低。

c.内核线程数比处理器数多比用户线程数少会导致处理器不空闲，一个线程被调出则另一个被调入，处理器不会空闲，性能高。

 

思考题：

什么是线程，为什么要引入线程？

线程是进程的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。减少程序并发执行时所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。

 

用户级线程与内核级线程的概念，以及他们的优缺点：

用户级线程是受内核支持，无须内核管理的线程。用户级线程能够快速创建管理，但是如果内核是单线程的，一个用户级线程阻塞整个进程就会阻塞。

内核级线程是操作系统直接实现、管理和调度的一种线程。内合计线程效率低，缺乏灵活性，但一个线程阻塞不会使整个进程的所有线程阻塞。

映射模型：

一对多、一对一、多对多