计算机操作系统多线程

• 进一步提高并行性的需求 – 并行性（多处理器）和并发性（单处理器） – 对并行的实际需求 – 并发的开销大：模式转换和进程开关 • 降低进程开关的开销的思路：将进程的资源占有和运行单元体 的两个角色分开 • 定义：线程是进程内的一个相对独立的、可调度的执行单元。 • 性质： – 进程内一个相对独立的可执行单元 – 操作系统的基本调度单元 – 每个进程至少要有一个或一个以上的线程 – 线程可以创建其他线程 – 同一个进程中的线程共享该进程的资源 – 线程间需要通信和同步机制 – 线程有生命期，有诞生和死亡
• 对象和类的概念 • 进程对象和线程对象：p.65表4.1和表4.2
• 线程的管理、线程组
– 基本管理方式：TCB队列 – 线程控制原语：创建、撤消、阻塞、挂起、解挂… – 以线程组的形式成组管理线程
多线程的实现(1)
• 基于线程观点的操作系统分类：单进程单线 程（MS-DOS）；多进程单线程（传统 UNIX）；单进程多线程；多进程多线程 （WINDOWS NT等）p.67 • 用户级和内核级线程：p.70图4.4 • 用户级线程（ULT）：定义；实现方式—线程 库；优点（开销小；适应多类应用；适应多 种操作系统）；问题（I/O时阻塞；时间片轮 转时线程与进程状态不协调）；缺点（阻塞 多个线程；饥饿；无法享受多处理器）；解 决方案（监控程序和虚拟时钟、I/O外套程 序）；其他问题（对共享存区的保护、多 CPU）；实际数据
第4章 多线程——内容提要
• • • • • • • • 线程的概念 线程的好处 应用线程的例子 线程的状态和线程管理 多线程的实现 Solaris操作系统的线程机制 Mach操作系统的线程机制 习题
进程和线程的执行示意图
三个进程各占自己的资源，独自执行
同一进程中三个线程公用资源，独自执行
线程的概念和性质
线程的状态和线程管理
• 线程状态：就绪、运行、等待(p.62图4-1)
– 几点说明：无挂起状态；使用I/O时是否阻塞其他线 程；进程的状态只与资源有关了
• 线程的描述
– 进程现场：映象和保护体系（与资源有关） – 线程现场：状态、运行现场、执行堆栈…（与运行 有关） – 用面向对象的形式表示线程控制块（TCB）
Solaris操作系统的线程机制
• Solaris的多线程结构：有关概念及图示 • 轻质进程
– UNIX和Solaris的进程表的比较：Solaris的进程不包括处理器 现场，该现场在轻质进程数据块。 – 轻质进程的本质是一个特殊的用户线程 – 轻质线程的局限性：开销大；占用内核资源多；仅涉及用户 空间（即上层）的操作开销小，同时涉及上下层的开销大。
用户空间
进程1 u
线程库
进程2 u
线程库
进程3 u u u
进程4 u u u
线程库
进程5 u u u
u
线程库
线程库
L
kFra Baidu bibliotek
L
k
L
k
L
k
L
k
L
k
L
k
L
k
L
k
内核 硬件
线程调度程序
CPU
CPU
CPU
CPU
CPU
Mach操作系统的线程机制
• 任务（类似进程）和线程 • 线程的数据结构(p.77) • 与线程相关的系统调用：创建、终止、挂起、 恢复等 • 线程分类：纯内核线程；用户任务的线程 （相当于Solaris中的轻质进程） • 线程库 • 线程库的实现方法
多线程的实现(2)
• 内核级线程（KLT）：什么是KLT；优点（多 处理器并行；阻塞时不相互牵制；内核线 程）；缺点（进出操作系统的两次模式转换 的开销） • KLT和ULT结合的方法：p.70图4.4c;四个容易 混淆的术语的解释（针对线程主，还是针对 线程运行的地址空间而言） • 线程库：
– 功能：支持ULT的开发和应用 – 所提供的过程调用 – 实现要点：尽量减少目态/管态间转换（每次转换 都涉及在不同的地址空间之间复制数据，开销很 大）；线程调度；编程接口
– 基于线程(default)：每个用户线程使用一个内核用 户线程（相当于轻质进程），抢占式调度 – 基于协同例程：多个用户线程对应一个内核用户 线程，不可抢占式调度 – 基于任务：每个线程使用一个Mach 任务（即 UNIX进程）
习题
• • • • • 4.2 4.3 4.4 4.5 4.10
Solaris多线程结构的有关概念
• 进程； • 用户级线程ULT：通过在进程地址空间的线程 库实现； • 轻质进程LWP：LWP是用户级线程与内核级 线程之间的映射。LWP被内核独立调度并可 在多处理器上并行执行； • 内核级线程KLT：被调度并分派到一个处理器 上执行的基本实体。
Solaris的多线程结构有关概念图示
采用线程机制带来的好处
• 创建和撤消线程的开销大大小于创建和 撤消进程的开销 • 线程开关的开销大大小于进程开关开销 • 增加了通信的有效性 • 为便于实现线程机制，促使程序员设计 结构良好的程序
应用线程的例子
• • • • 前台和后台：输入、检查、修改、打印 异步处理：定期备份 加快处理速度：对数据的并行处理 组织复杂的工作：如DBMS对SQL语句 的处理 • 同时处理多个用户的服务请求：如民航 售票或证券交易
• 内核线程：数据结构；Solaris内核构成 • 用户线程：完全由线程库管理，与内核无关。 • 线程的执行
– 用户线程与轻质进程多对多：用户线程状态变化图 (p.75);LWP状态变化图(p.76) – 用户进程与轻质进程一对一：走则同行；停则同停
• 内核中断线程
– 中断处理由中断线程执行，并用锁或信号量互斥 – 实现方法及其性能分析(p.77页首)