计算机操作系统笔记（7）--进程管理之线程

目的及要求
1）掌握线程的基本概念
2）理解线程的同步和通信
3）了解线程的实现方式

一 线程的基本概念

1 线程的引入

引入进程的目的：使多个程序能并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量。
引入线程的目的：减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。

进程的基本属性：
1）进程是一人可拥有资源的独立单位。
2）进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。

线程是进程的一条执行路径，它包含独立的堆栈和CPU寄存器状态，每个线程共享其所附属的进程的所有资源，包括打开的文件、页表（因此也就共享整个用户态地址空间）、信号标识及动态分配的内存等等。

在多线程OS中，通常一个进程包括多个线程，每个线程是利用CPU的基本单位，是花费最小开销的实体。

线程和进程的比较
线程是属于进程的（线程不能单独存在），线程运行在进程空间内，每个线程共享其所附属的进程的所有资源（线程不拥有资源，线程只使用资源），当进程退出进该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。

调度 并发性 拥有资源 系统开销 进程 传统基本单位 低 拥有 高 线程 基本单位 高 使用 低

2 线程的属性

1）轻型实体（为进程的一个实体）：基本上不拥有资源。只有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。
2）独立调度和分派的基本单位：在CPU在运行的基本单位。
3）可并发执行：同一进程中线程可并发执行，不同进程中的线程也可并发执行。
4）共享进程资源：基本不拥有资源，使用所属进程的资源。

3 线程运行的状态

1）执行状态：线程正在CPU上执行。
2）就绪状态：具有所需要的所有资源，等待CPU空闲。
3）阻塞状态：缺少某些资源，等待资源的完成。

4 线程的创建和终止

在多线程OS中，应用程序启动时，通常只有一个线程（初始化线程）在执行，它根据需要可创建若干线程。

创建新线程时，需要利用纯种创建函数（或系统调用），并提供相应参数，线程创建函数执行完后，返回一个线程标识符供以后使用。

线程终止方式
1）自愿退出
2）出错或被其他线程强行终止

线程被终止后并不立即释放释放资源，只有当进程中的其它线程执行分离函数后，资源才分离出来能被其他线程利用。

5 多线程OS中的进程

在多线程OS中，进程是作为拥有资源的基本单位，通常进程都包含多个线程并为它们提供资源，但进程不再作为一个执行的实体。

此时进程的属性
1）作为系统资源分配的单位
2）可包括多个线程
3）进程不是一个执行的实体，但仍具有执行相关的状态

二 线程的同步和通信

为了支持不同频率的交互操作和不同程度的并行性，在多线程OS中通常提供多种同步机制。

1 互斥锁

用于实现线程间对资源互斥访问的机制。
Lock(); Unlock();
为了减少线程被阻塞的机会，有的系统还提供了一种用于mutex上的操作命令Trylock()。

2 条件变量

条件变量通常都与互斥锁一起使用。互斥锁用于短期锁定，主要用来保证对临界区的互斥进入，而条件变量则用于线程的长期等待，直到所等待的资源成为可用资源。

3 信号量机制

1）私有信号量：实现同一进程内的各线程间的同步。
2）公用信号量：也称为系统信号量，实现不同进程间或不同进程的线程间的同步。

三线程的实现方式

1 内核支持线程（Kernel-Supported Threads）

对于通常的进程，无论是系统进程还是用户进程，进程的创建、撤消以及要求由系统设备完成的I/O操作，都是利用系统调用而进入内核，再由内核中的相应处理程序完成的。我们说它们是在操作系统内核的支持下运行的。

内核支持线程也依赖于内核支持运行的，线程的创建和撤销也依靠内核，此外在内核空间还为每一个内核支持线程设置一个线程控制块，内核是根据该控制块感知某线程的存在，并对其进行控制的。Windows NT和OS/2支持内核线程。

内核维护进程和线程
优点：
1）一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程的运行；
2）时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间。

缺点：用户线程模式切换开销大。

2 用户级线程（User-level Threads）

不依赖于OS核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。

如：数据库系统informix，图形处理PageMaker。

线程的维护由应用进程完成，内核不了解用户级线程的存在。

优点：
调度、切换由应用软件内部进行，通常采用简单的规则，也无需用户态/核心态切换，所以速度很快。

缺点：
1）一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程在等待；
2）时间片分配给进程，线程多则每个线程就慢。