操作系统精髓与设计原理之线程

一、             线程间的状态切换比进程间的状态切换开销更低的原因？（从资源分配角度来分析）

从下面这幅图可以看出

左边为单线程进程模型，右边为多线程进程模型。从上图可以看出，多线程虽然有自己的线程控制块、用户栈和内核栈，但是他们是共享同一个进程中用户地址空间的，线程切换不需要重新分配资源；相反，进程间由于不共享用户地址空间，进程切换时需要重新分配资源，操作系统使其环境产生实质性的变化。（核心问题是资源分配问题）

二、             在进程概念中体现出来的两个独立且无关的特点是什么？

资源所有权和调度/执行。

资源所有权：一个进程包括一个进程影像的虚拟地址空间，一个进程总是拥有对资源的控制或所有权。

调度/执行：一个进程沿着一个通过一个或多个程序的一条执行路径（轨迹）。

三、             单用户多处理系统中使用线程的4个例子

1、  执行速度

2、  异步调用（程序）

3、  前台和后台工作（如word）

4、  模块化程序结构

在支持线程的OS中，调度和分派是在线程的基础上完成的，但是有些活动影响着进程中的所有线程，因此OS必须在进程一级对它们进行管理。

四、             用户级线程相对于内核级线程的3个优点

对比上面纯用户级线程和纯内核级线程，可知：

优点一；纯用户级线程中，内核以进程为单位进行调度，所有线程共享一个进程的用户地址空间，因此线程切换不需内核特权（右图纯内核级线程中可以看出，当进行线程切换时，需进入到内核态进行切换），节省了两次状态转换（用户态——>内核态，内核态——>用户态）。

优点二：从上图可知，用户级线程处在用户态执行，与具体OS无关。调度可以是应用程序相关的。

优点三：用户态线程可以在任何操作系统中运行（可移植性好），不需要内核的的特别支持。线程库（Thread libray）是一组供所有应用程序共享的应用程序级别的函数。

五、             用户级线程相对于内核级线程的两个缺点。（也就是内核级线程的优点）

比较上两图可以看出：

缺点一：纯用户级线程中，内核以进程为单位进行调度，因此当其中一个用户线程阻塞时，很有可能阻塞整个进程，而在内核级线程中，当一个线程发生阻塞时，内核可以调度到另一个线程进行执行。

缺点二、在纯用户进程中，内核以进程为单位进行调度给处理器，一个多线程的应用程序不能利用多处理技术，讲多个线程分配给不同的处理器进行执行。而右图中内核级线程是可以的，Windows采用的就是这种技术。

六、             Jacketing的定义

针对用户级线程的缺点而产生的技术。目标：把产生阻塞的系统调用转化成一个非阻塞的系统调用。

七、             给出在典型的单体结构操作系统中可以找到，且可能是微内核操作系统外部子系统的服务和功能。

文件系统，设备驱动程序、虚存管理程序、窗口系统和安全服务。他们可以和内核交互，也可以相互交互。

八、             微内核设计相对于整体式结构设计的7个优点。

UNIX分层内核体系结构            微内核体系结构图（客户/服务器模式）

微内核外部的操作系统部件被当做服务器进程来实现，它们可以借助与微内核传递消息来实现相互之间的交互。MACH采用微内核模式。

1、  一致接口，进程无需区分是内核级服务还是用户级服务

2、  可扩展性，允许增加新的服务以及在同一个功能区域中提供多个服务

3、  灵活性，不仅 可以增加功能还可以删减功能，以产生一个更小、更有效的实现

4、  可移植性，

5、  可靠性，小的微内核可以被严格的测试。

6、  分布式系统支持

7、  对面向对象操作系统的支持

九、             微内核操作系统可能存在的性能缺点（从客户服务器的架构来分析）

从微内核体系结构图可以看出。因为微内核中只有最基本功能，微内核外部操作系统部件被当做服务器进程实现，进程间通信需通过微内核构造和发送消息、接受应答并解码所花费的时间比进行一次系统调用的时间要多。

十、             列出即使在最小的微内核操作系统中也可以找到的3个功能。

IPC——进程间通信，低级存储管理、和I/O和中断管理。

十一、      微内核操作系统中，进程或线程间通信的基本形式是什么？

消息。通过微内核构造和发送信息，接受应答并解码。

课后题目：

4.1.       一个多处理系统有8个处理器和20个附加磁带设备。现在有大量的作业提交给该系统，完成每个作业最多需要4个磁带设备。假设每个作业开始运行时只需要3个磁带设备，并且在很长时间内都只需要这3个设备，而只是在最后很短的一段时间内需要第4个设备以完成操作。同时还假设这类作业源源不断。

a.       假设操作系统中的调度器只有当4个磁带设备都可用时才开始一个作业。当作业开始时，4个设备立即被分配给它，并且直到作业完成时才被释放。请问一次最多可以同时执行几个作业？采用这种策略，最多有几个磁带设备可能是空闲的？最少有几个？

b.      给出另外一种策略，要求其可以提高磁带设备的利用率，并且同时可以避免系统死锁。分析最多可以有几个作业同时执行，可能出现的空闲设备的范围是多少。

答：

a.        采用一个保守的策略，一次最多同时执行20/4=5个作业。由于分配各一个任务的磁带设备最多同时只有一个空闲，所以在同一时刻最多有5个磁带设备可能是空闲的。在最好的情况下没有磁带设备空闲。

b.       为了更好的利用磁设备，每个作业在最初只分配三个磁带设备。第四个只有的需要的时候才分配。在这种策略中，最多可以有20/3=6个作业同时执行。最少的空闲设备数量为0，最多有2个。参考：AdvancedComputer Architectrue,K.Hwang,1993.