操作系统学习笔记---线程

在上一篇文章讲到了进程，进程体现了两个属性资源分配的单位和调度运行的单位，作为资源分配的单位，一个进程有自己的地址空间，其中包括程序、数据、PCB及其他资源，如打开的文件，子进程，未处理的警报，信号，统计信息等。作为调度执行单位，一个进程在执行过程中需要使用一个或多个程序；另外，一个进程的执行过程会与其他进程夹在一起。操作系统根据进程的状态和调度优先级对就绪进程实施调度。由于进程是资源的拥有者，所以它的负载很重，因而在实施进程的创建、删除和切换过程中要付出较大的开销。这样，就限制了系统中进程的数目和并发活动程度，因此很多现代操作系统把上述进程的两个属性分别赋予不同的实体：进程只作为资源的拥有者，而调度和运行的属性赋予新的实体---线程。

线程的组成

每一个线程有一个thread结构，即线程控制块，用于保存自己的私有信息，其组成如下：

• 一个唯一的线程标识符
• 描述处理器工作情况的一组寄存器(PC，状态寄存器，通用寄存器)的内容
• 每个thread结构有两个栈指针，一个指向核心栈，一个指向用户栈。当用户线程转变到核心态方式下运行时，就用核心栈；当线程在用户态下执行时，就使用自己的用户栈
• 一个私有存储区，存放现场保护信息和其他与该线程相关的统计信息等

线程必须在某个进程内执行，它所需的其他资源，如代码段，数据段，打开的文件和信号等，都由它所属的进程拥有，即：操作系统分配这些资源以进程为单位。传统的进程就是只有一个线程的进程，当一个进程包含多个线程时，这些线程除了自己私有的少量的资源外，要共享所属进程的全部资源。

线程的状态

与进程相似，线程也有若干种状态，如运行态，阻塞状态，就绪状态和终止状态。

线程是一个动态过程。它的状态转换是在一定条件下实现的。通常，当一个新进程创建时，该进程的一个线程也被创建。以后这个线程还可以在它所属的进程内创建另外一个线程，为新线程提供指令指针和参数。同时为新线程提供私有的寄存器内容和栈空间，并且放入就绪队列中。当CPU空闲时，线程调度程序就从就绪队列中选择一个线程，令其投入运行。线程在运行过程中如果需要等待某个事件，它就让出CPU，进入阻塞状态。以后，当该事件发生时，这个线程就从阻塞状态变为就绪状态。

线程的管理

• 线程的创建：一个线程通过调用过程库中的thread_create可以创建新线程。创建新线程时将为新线程建立thread结构，分配栈空间。最后把它设置为就绪状态，放入就绪队列。
• 线程的终止：一个线程完成自己的工作后，通过调用过程库中的thread_exit终止自身。
• 线程的等待：在某些线程系统中，一个线程通过调用过程库中的thread_wait可以等待指定线程终止。这个过程使调用者线程变为阻塞状态，直至指定的线程终止，它才转为就绪状态
• 线程的让权：当一个线程自愿放弃CPU资源，让给另外的线程运行时，它可调用过程thread_yield

线程与进程的关系

• 一个进程可以有多个线程，但至少要有一个线程；并且一个线程只能在一个进程的地址空间内活动
• 资源分配给进程，同一个进程的所有线程共享该进程的所有资源
• 处理机分配给线程，即真正在处理机上运行的是线程
• 线程在执行过程中需要协作同步，不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步

引入线程的好处

• 易于调度，在传统的进程中，由于资源分配与运行调度都是进程，因为在进程的创建、撤销和切换过程中，系统必须为之付出很大的时空开销。而线程属于轻量级的进程，它的切换时空消耗比进程小。
• 提高并发性，进程可以创建多个线程来执行同一程序的不同部分，这样，不仅进程之间可以并发执行，而且同一个进程内部的多个线程也可以并发执行
• 开销小，创建线程比创建进程要快
• 充分发挥多处理器的功能，传统的进程只能运行在但处理机上，使用多线程的进程可以运行在多处理机上

线程的实现

• 线程库整个地址放在用户空间，核心对线程一无所知。所以核心只关心对常规进程进行管理，并不知道线程是否存在。管理线程的工作全部由应用程序来完成
  • 优点
    • 线程切换速度很快，无需进程系统调度，这比使用系统调度线程并陷入核心去处理线程要快得多
    • 调度算法可以由应用程序专用，允许不同应用程序采用何时自己要求的不同调度算法，并且不干扰底层的操作系统调度程序
    • 用户级别线程可以运行在任何操作系统上
  • 缺点
    • 系统调度的阻塞问题，多数系统调用是阻塞式的，当一个线程执行系统调度时，不仅它自己被阻塞，而且在用一个进程内部的所有线程都会被阻塞
    • 不具有多处理器同时运行的优点，因为核心只为每个进程一次分配一个处理器，每次只有该进程的一个线程得以运行，在该进程自愿放弃CPU之前，该进程内的其他线程不会运行。
• 在核心空间实现线程，在这种方式下，核心知道线程的存在，并对它们实施管理。线程表不在每个进程的空间中，而是在核心空间中。线程表中记载系统中所有线程的情况。当一个线程想创建一个新线程或删除一个现有线程时，必须执行系统调用，后者通过更新核心空间的线程表来完成上述工作。另外，核心空间除了保存一个线程表外，还保存一个传统的进程表，其中记载系统中所有进程的信息。
  • 优点：
    • 在多处理机上可以同时运行同一个进程中的多个线程
    • 如果一个进程的某个线程阻塞了，并不会影响同一个进程中的其他线程
  • 缺点：
    • 控制转移开销大， 在同一个进程中，把一个线程切换到另一个线程，需要将模式由用户态切换到核心态