OSIDP-线程-03

进程和线程

进程具有两个相互独立的特点：

1. 资源所有权：进程包括存放进程映像的虚拟地址空间，具有对资源的控制权。
2. 调度/执行：进程具有运行状态和优先级，是可被 OS 调度和分派的实体。

通常将分派的单位称为线程（thread）或者轻量级进程（lightweight process），将拥有资源所有权的单位称为进程（process）或者任务（task）。

多线程是指 OS 在单个进程内支持多个并发执行路径的能力。

在多线程环境中，进程定义为资源分配单元和保护单元，和进程相关的有：

• 容纳进程映像的虚拟地址空间。
• 对处理器、其他进程（进程间通信）、文件和 I/O 资源的受保护访问。

一个进程可能有一或多个线程，和线程相关的有：

• 执行状态。
• 未运行时已保存的线程上下文。
• 执行栈。
• 用于局部变量的静态存储空间。
• 与进程内其他线程共享的内存和资源访问。

线程的优点：

1. 在已有进程中创建新线程花费的时间远少于创建一个新进程。
2. 终止线程花费的时间少于终止进程。
3. 同一进程内线程之间的切换花费的时间少于进程间的切换。
4. 提高了执行程序间的通信效率，线程间通信不需要调用内核。

在多处理器环境中，同一进程中的多个线程可以同时在不同处理器上运行。

支持线程的 OS 中，调度和分派是在线程基础上完成的，大多数与执行相关的信息可以保存在线程级数据结构中。当进程的某些状态改变时，进程中的所有线程的状态都会改变。比如进程终止时，所有线程也会终止。

线程状态：运行态、就绪态和阻塞态。

线程状态改变的操作：

1. 派生：一般情况下，当派生一个新进程时，同时也会为该进程派生一个线程。
2. 阻塞：等待一个事件时。
3. 解除阻塞：等待的事件发生。
4. 结束：线程执行完成。

线程同步：同一个进程中的所有线程共享地址空间和其他资源。一个线程对资源的修改会影响到其他线程的环境，为了防止它们产生干扰和破坏数据结构，需要同步各线程的活动。

线程分类

用户级线程：管理线程的所有工作由应用程序完成，内核不知道线程的存在。

任何应用程序都可以使用线程库设计成多线程程序。线程库是一个和线程操作相关的例程库。

当进程处于运行态时，进程中的某一个线程正在运行。此时，若线程发出了阻塞的系统调用，则进程状态将转为阻塞态，而运行中的线程状态不变，仍然是运行态；若发生时钟中断，进程状态转为就绪态，运行态的线程状态不变；若运行中的线程需要同一进程中的另一个线程执行，则该线程转为阻塞态，另一个线程转为运行态。

用户级线程优点：

1. 线程切换不需要转换到内核模式，节省了模式转换的开销。
2. 调度算法可以根据应用程序的不同而在应用程序中设计，不干扰 OS 底层的调度策略。
3. 可以在任何 OS 中运行。

缺点：

1. 系统调用会阻塞进程，即阻塞进程中所有线程。
2. 多线程程序不能应用多处理技术，每次只有一个进程被分配给处理器，每个进程每次只有一个线程在运行。

解决线程阻塞问题的方法
使用称为“套管”（jacketing）的技术，目标是将产生阻塞的系统调用转化为非阻塞的系统调用。

内核级线程：内核为进程和进程中每个线程维护上下文信息。调度由内核基于线程完成。

优点：

1. 可以同时把一个进程中的多个线程调度到多个处理器上执行。
2. 进程中一个线程被阻塞时，可以调度同一进程中另外一个线程。

缺点：
在同一个进程内不同线程间传递处理器控制权时，需要切换到内核模式。

混合方式：线程创建完全在用户空间中完成，线程调度和同步在应用程序中进行。一个应用程序中的多个线程会被映射到一些（数量少于应用程序中的线程）内核级线程上。

进程和线程之间多对多的关系
当一个程序需要使用 I/O 子程序时，将主程序和子程序当作由单线程实现的单个活动，就是两者作为同一个线程实现，但是为主程序和子程序分别创建各自的地址空间，线程在执行过程中在这两个地址空间中移动。此时是一个线程对多个进程，也可以在同一地址空间中执行多个线程。

参考

[1] William Stallings, 操作系统——精髓与设计原理（8th）, 2017.