2.7 线程 2.7.1线程的其本概念

引入线程的目的： 提高系统的执行效率，减少处理机的空转时间和调度切换（保护现场信息）的时间，便于系统管理。（减少程序并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。）  

分析说明： 进程的两个基本属性： 1 进程是一个可拥有资源的独立单位； 2 进程又是一个可独立调度和分配的基本单位。合起来，进程便成为一个能独立运行的基本单位，从而构成了程序并发执行的基础。 简言之，由于进程是一个资源的拥有者，在执行这些操作时会付出较大的时间开销。因此在系统中所设的进程数目不宜过多，切换不宜过于频繁，这就限制了系统的并发程度。

解决问题的基本思路： •把进程的两项功能－－“独立分配资源”与“被调度分派执行”分离开来， •进程作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切换； •线程作为系统调度和分派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换，在这种指导思想下，产生了线程的概念。

线程的定义 定义：线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分配的基本单位，故又称为轻权（轻型）进程(Light Weight Process)，它由线程控制表、存储线程上下文的用户栈以及核心栈组成。{传统的进程称为重型进程(Heavy Weight Process)。}

线程与进程的主要区别 １进程是资源管理的基本单位，它拥有自己的地址空间和各种资源；线程只是处理机调度的基本单位，它只和其他线程一起共享进程资源，它自己没有任何资源。 ２以进程为单位进行处理机切换和调度时，处理机切换时间长，资源利用率降低。以线程为单位进行进行处理机切换和调度时，由于不发生资源变化，特别是地址空间的变化，处理机切换时间较短，从而处理机效率较高。

３对用户来说，多线程系统比无线程系统可减少用户的等待时间，提高系统的响应速度。 ４线程和进程一样，都有自己的状态，也有相应的同步机制，不过由于线程没有单独的数据和程序空间，因此线程不能像进程的数据与程序那样，交换到外存存储空间，从而线程没有挂起状态。

５进程的调度、同步等大多由OS内核完成，而线程的控制既可以由OS内核进行，也可以由用户控制。

MS-DOS支持单用户进程，进程是单线程的； 传统UNIX支持多用户进程，进程是单线程的。 很多著名操作系统都支持多线程（结构）进程，如：Solaris 、Mach 、SVR4、OS/390、OS/2、WindowNT、Chorus等； JAVA的运行引擎则是单进程多线程的例子。

线程的属性 1)轻型实体 2)独立调度和分派的基本单位 3)可并发执行 4)共享进程资源

线程主要组成 •当线程不运行时,有一个受保护的线程上下文, 用于存储现场信息。所以，线程也可被看作是执行在进程内的一个独立的程序计数器; •线程执行状态（运行、就绪、…）; •当线程不运行时,有一个受保护的线程上下文, 用于存储现场信息。所以，线程也可被看作是执行在进程内的一个独立的程序计数器; •一个执行堆栈 •一个容纳局部变量的主存存储区。

线程的状态(1) 线程状态有：运行、就绪和阻塞，线程的状态转换也类似于进程。  线程的状态(1) 线程状态有：运行、就绪和阻塞，线程的状态转换也类似于进程。 挂起状态对线程是没有意义的，如果进程挂起后被对换出主存，则它的所有线程因共享了进程的地址空间，也必须全部对换出去。

线程的状态(2) 处于运行态的线程阻塞时，对某些线程实现机制，所在进程也转换为阻塞态，即使这个进程存在另一个处于就绪态的线程； 对另一些线程实现机制，如果存在另外一个处于就绪态的线程，则调度该线程处于运行状态，否则进程才转换为阻塞态。

线程又称轻量进程 •系统调度的基本单位是线程而不是进程,每当创建一个进程时，至少要同时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。 •线程运行在进程的上下文中,并使用进程的资源和环境。 •系统调度的基本单位是线程而不是进程,每当创建一个进程时，至少要同时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。

多线程环境中的进程与线程 单线程进程的内存布局和运行 进 程 单线程进程(模型) 用户 地址空间 进程 控制块 堆栈 系统 进程控制块   单线程进程的内存布局和运行 进程控制块 进 程 用户地址空间 用户堆栈 系统堆栈 管理者 执行序列 单线程进程(模型) 用户 地址空间 进程 控制块 堆栈 系统

多线程进程的内存布局 多线程进程模型 用户 地址空间 进程 控制块 线程控制块 系统 堆栈 线程1 线程N

多线程环境中进程的定义 •一个虚拟地址空间，用来容纳进程的映像； •对处理器、其他(通信的)进程、文件和I/O资源等的存取保护机制。 进程是操作系统中进行保护和资源分配的基本单位。它具有： •一个虚拟地址空间，用来容纳进程的映像； •对处理器、其他(通信的)进程、文件和I/O资源等的存取保护机制。

  多线程环境中的线程概念 线程是操作系统进程中能够独立执行的实体（控制流），是处理器调度和分派的基本单位。线程是进程的组成部分，每个进程内允许包含多个并发执行的实体（控制流），这就是多线程。

线程库 多线程的操作系统和语言都提供了线程库，如Mach的C-threads和Java线程库，支持应用程序创建、调度、和管理用户级线程的运行。 线程库实质上是多线程应用程序的开发和运行支撑环境。线程库至少应提供以下功能：孵化、封锁、活化、结束、通信、同步、调度等。每个线程库应提供给用户级的API编程使用。

线程管理和线程库(1) 多线程技术利用线程包(库)提供线程原语集来支持多线程运行， 有的操作系统直接支持多线程，而有的操作系统不支持多线程。 线程包(库)可分成两种：用户空间中运行的线程包(库)和内核中运行的线程包(库)。

线程管理和线程库(2) •孵化（Spawn）：又称创建线程。 •封锁（Block）：又称阻塞线程。 •活化（Unblock）：又称恢复线程。 线程包(库)提供一组API，支持应用程序创建、调度、撤销和管理线程的运行。基本线程控制原语： •孵化（Spawn）：又称创建线程。 •封锁（Block）：又称阻塞线程。 •活化（Unblock）：又称恢复线程。 •结束（Finish）：又称撤销线程。

2.7.2线程间的同步与通信 1.互斥锁 2.条件变量 3.信号量机制

2.3 线 程 给每个进程分配一虚拟地址空间，保存进程映像，控制一些资源（文件，I/O设备），有状态、优先级、调度 进程是一个执行轨迹 2.3 线 程 1.进程的两个基本属性： 资源的拥有者： 给每个进程分配一虚拟地址空间，保存进程映像，控制一些资源（文件，I/O设备），有状态、优先级、调度 调度单位： 进程是一个执行轨迹 以上两个属性构成进程并发执行的基础

2. 线程的引入 对进程系统必须完成的操作： 创建进程 撤消进程 进程切换 缺点： 时间空间开销大，限制并发度的提高

线程的引入（续1） 线程：有时称轻量级进程，进程中的一个运行实体，是一个CPU调度单位，资源的拥有者还是进程或称任务 在操作系统中，进程的引入提高了计算机资源的利用效率。但在进一步提高进程的并发性时，人们发现进程切换开销占的比重越来越大，同时进程间通信的效率也受到限制 线程的引入正是为了简化进程间的通信，以小的开销来提高进程内的并发程度 线程：有时称轻量级进程，进程中的一个运行实体，是一个CPU调度单位，资源的拥有者还是进程或称任务

线程的引入（续2） 线程： 有执行状态（状态转换） 不运行时保存上下文 有一个执行栈 有一些局部变量的静态存储 可存取所在进程的内存和其他资源 可以创建、撤消另一个线程

3. 线程的特点 是进程的一个实体，可作为系统独立调度和分派的基本单位。 不拥有系统资源（只拥有从属进程的全部资源，资源是分配给进程） 一个进程中的多个线程可并发执行。（进程可创建线程执行同一程序的不同部分） 系统开销小、切换快。（进程的多个线程都在进程的地址空间活动）

4.线程和进程的关系 单进程、单线程 单进程、多线程 多进程、一个进程一个线程 多进程、一个进程多个线程

包含了寄存器映像，线程优先数和线程状态信息 P C B 用 户 栈 单线程进程模型 用户地址空间 核 心 线程控制块： 包含了寄存器映像，线程优先数和线程状态信息

P C B 多线程进程模型 用户 地址 空间 用 户 栈 核 心 线程 控制块

5.引入线程的好处 创建一个新线程花费时间少（结束亦如此） 两个线程的切换花费时间少 （如果机器设有“存储[恢复]所有寄存器”指令，则整个切换过程用几条指令即可完成） 因为同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核 适合多处理机系统

例子1： LAN中的一个文件服务器，在一段时间内需要处理几个文件请求 因此有效的方法是：为每一个请求创建一个线程 在一个SMP机器上：多个线程可以同时在不同的处理器上运行

例子2： 一个线程显示菜单，并读入用户输入； 另一个线程执行用户命令 考虑一个应用：由几个独立部分组成，这几个部分不需要顺序执行，则每个部分可以以线程方式实现 当一个线程因I/O阻塞时，可以切换到同一应用的另一个线程

6.线程与进程的比较 调度：线程作为调度的基本单位，同进程中线程切换不引起进程，当不同进程的线程切换才引起进程切换；进程作为拥有资源的基本单位。 并发性：一个进程间的多个线程可并发。 拥有资源：线程仅拥有隶属进程的资源；进程是拥有资源的独立单位。 系统开销：进程大；线程小。

7. 线程的实现机制 用户级线程 核心级线程 两者结合方法

1) 用户级线程（ULT） 由应用程序完成所有线程的管理 通过线程库(用户空间) 一组管理线程的过程 核心不知道线程的存在 线程切换不需要核心态特权 调度是应用特定的

对用户级线程的核心活动 即线程状态是与进程状态独立的 核心不知道线程的活动，但仍然管理线程的进程的活动 当线程调用系统调用时，整个进程阻塞 但对线程库来说，线程仍然是运行状态 即线程状态是与进程状态独立的

用户级线程的优点和缺点 优点： 线程切换不调用核心 调度是应用程序特定的：可以选择最好的算法 ULT可运行在任何操作系统上（只需要线程库） 缺点： 大多数系统调用是阻塞的，因此核心阻塞进程，故进程中所有线程将被阻塞 核心只将处理器分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上

2) 核心级线程（KLT） 所有线程管理由核心完成 没有线程库，但对核心线程工具提供API 核心维护进程和线程的上下文 线程之间的切换需要核心支持 以线程为基础进行调度 例子：Windows NT，OS/2

核心级线程的优点和缺点 优点: 对多处理器，核心可以同时调度同一进程的多个线程 阻塞是在线程一级完成 核心例程是多线程的 缺点： 在同一进程内的线程切换调用内核，导致速度下降

两者分析 针对不同的操作系统 开销和性能（线程的调度和切换速度） 系统调用（阻塞） 线程执行时间 灵活性 可扩充性 抢占CPU 共享进程的资源

3) ULT和KLT结合方法 线程创建在用户空间完成 大量线程调度和同步在用户空间完成 程序员可以调整KLT的数量 可以取两者中最好的 例子：Solaris

实例：Solaris 进程： 用户地址空间 用户栈 进程控制块

分派 唤醒 继续 抢占 停止 可运行 睡眠 用户级线程 活跃 连接在LWP上

LWP状态独立于状态ULT（受限制ULT除外） 分派 唤醒 继续 时间片 或抢占 停止 运行 阻塞 系统 调用 轻型进程状态 LWP状态独立于状态ULT（受限制ULT除外） 可运行

进程 1 进程 2 进程 3 进程 4 进程 5 进程库 用户 内核 硬件 用户级线程 内核级线程 轻型线程 处理器

8. 线程与进程的关系 线程：进程 特点 例子 每一执行的线程是 有自己的地址空间 和资源的唯一进程. 各种UNIX版本 1 : 1 M : 1 进程定义了所拥有 的地址空间和动态 资源。在该进程中 多个线程可被创建 和执行. Windows NT, Solaris, OS/2, OS/390, MACH

9.用户级线程和内核支持线程 内核支持线程——依赖于内核。（创建、撤消、切换由内核实现） 用户级线程——与内核无关（切换速度特别快，不利用系统调用）

2.7.3内核支持线程和用户级线程 •用户级线程ULT(如Java ,Informix) •内核级线程KLT(如OS/2)。 从实现的角度看，线程可以分成: •用户级线程ULT(如Java ,Informix) •内核级线程KLT(如OS/2)。 •混合式线程(如，Solaris)。

各种线程实现方法 用户空间 线程库 P 内核空间 2）用户级线程 1）内核级线程 3）混合式线程 ULT KLT Process

1. 内核级线程(1) 纯内核级线程设施中，线程管理的所有工作由操作系统内核做。内核专门提供KLT API，应用程序区不需要有线程管理代码。Windows NT 和 OS/2都是采用这种方法的例子。

内核级线程(2) 线程执行中可通过内核创建线程原语来创建其他线程，这个应用的所有线程均在一个进程中获得支持。 内核要为整个进程及进程中的单个线程维护现场信息，应在内核中建立和维护PCB及TCB,内核的调度是在线程的基础上进行的。

内核级线程主要优点 多处理器上，内核能同时调度同一进程中多个线程并行执行。 进程中的一个线程被阻塞了，内核能调度同一进程的其它线程占有处理器运行。 内核线程数据结构和堆栈很小，KLT切换快,内核自身也可用多线程技术实现，能提高系统的执行速度和效率。

内核级线程的主要缺点 应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现,在同一进程中，控制权从一个线程传送到另一个线程时需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较大。

2  用户级线程 纯ULT设施中，线程管理工作由应用程序做，内核不知道线程的存在。任何应用程序均需通过线程库进行程序设计，再与线程库连接后运行来实现多线程。 线程库是一个ULT管理的例行程序包，实质上线程库是线程的运行支撑环境。

ULT线程“孵化”过程 进程开始只有一个线程，它可以孵化新线程，通过过程调用把控制权传送给“孵化”过程，由线程库为新线程创建一个TCB，并置为就绪态，按一定的调度算法把控制权传递给进程中处于就绪态的一个线程。当控制权传送到线程库时，当前线程的现场信息应被保存，而当线程库调度一个线程执行时，要恢复它的现场信息。

线程调度和进程调度间的关系(1) 假设进程B正在执行线程3，可能出现下列情况： • 进程B的线程3发出一个封锁B的系统调用(如I/O操作)，通知内核进行I/O并将进程B置为等待状态，按照由线程库所维护的数据结构，进程B的线程3仍处在运行态。线程3并不实际地在一个处理器上运行，而是可理解为在线程库的运行态中。这时，进程B为等待态，线程3为线程库运行态。

线程调度和进程调度间的关系(2) •两种情况中，当内核切换控制权返回到进程B时，便恢复执行线程3。 •一个时钟中断传送控制给内核，内核中止当前时间片用完的进程B，并把它放入就绪队列，切换到另一个就绪进程，此时，按由线程库维护的数据结构，进程B的线程3仍处于运行态。这时，进程B己处于就绪态，但线程为线程库运行态。 •两种情况中，当内核切换控制权返回到进程B时，便恢复执行线程3。

ULT优点 •线程切换不需要内核特权方式， •按应用特定需要来调度， •ULT能运行在任何OS上，

ULT的缺点 • 纯ULT中，多线程应用不能利用多重处理的优点。内核在一段时间里，分配一个进程仅占用一个CPU，进程中仅有一个线程能执行。 • 线程执行系统调用时，不仅该线程被阻塞，且进程内的所有线程会被阻塞。 • 纯ULT中，多线程应用不能利用多重处理的优点。内核在一段时间里，分配一个进程仅占用一个CPU，进程中仅有一个线程能执行。

克服上述问题的方法 •第二种方法是采用jacketing技术解决阻塞线程的问题。 •第一种方法是用多进程并发程序设计代替多线程并发程序设计，这种方法事实上放弃了多线程带来的所有优点。 •第二种方法是采用jacketing技术解决阻塞线程的问题。

3  混合式线程 混合系统中，内核支持KLT多线程的建立、调度和管理，也提供线程库，允许应用程序建立、调度和管理ULT。应用程序的多个ULT映射成一些KLT,程序员可按应用需要和机器配置调整KLT数目，以达到较好效果。 一个应用中的多个线程能同时在多处理器上并行运行，且阻塞一个线程时并不需要封锁整个进程。

LWP的数据结构(1) • 轻量进程标识符标识了轻量进程 • 优先数定义了轻量进程执行的优先数 • 信号掩码定义了内核能够接受的信号 • 寄存器域用于存放轻量进程让出处理器时的现场信息 • 轻量进程的内核栈包括每个调用层次的系统调用的参数、返回值和出错码

LWP的数据结构(2) • 用户或用户和系统共同的虚时间警示 • 用户时间和系统处理器使用 • 资源使用和预定义数据 • 交替的信号堆栈 • 用户或用户和系统共同的虚时间警示 • 用户时间和系统处理器使用 • 资源使用和预定义数据 • 指向对应内核线程的指针 • 指向进程结构的指针

ULT的数据结构 • 优先数定义了线程执行的优先数 • 信号掩码定义了能够接受的信号 • 寄存器域用于存放线程让出处理器时的现场信息 • 线程标识符标识了线程 • 优先数定义了线程执行的优先数 • 信号掩码定义了能够接受的信号 • 寄存器域用于存放线程让出处理器时的现场信息 • 堆栈用于存放线程运行数据 • 线程局部存储器用于存放线程局部数据

KLT的数据结构(1) • 内核寄存器数据保存区 • 优先级和调度信息 • KLT的队列指针和堆栈指针 • 相关LWP的指针及信息 •     内核寄存器数据保存区 •     优先级和调度信息 •     KLT的队列指针和堆栈指针 •     相关LWP的指针及信息 •     进程数据结构,包括： •     与进程相关的KLT •     进程地址空间指针 •     用户权限表 •     信号处理程序清单 •     与用户执行有关信息

KLT的数据结构(2) Solaris支持实时类进程，内核是可抢占的，内核函数和过程全部用线程实现，Solaris的内核是KLT的集合。 KLT分两种，一种是负责执行一个指定的内核函数;另一种用来支持和运行LWP，KLT是独立被调度和分配到CPU上去执行。

LWP的状态转换 •当ULT处于活跃态时只能捆绑到一个LWP上。只有当LWP处于运行态时，活跃态的ULT才真正处于活跃态并执行。 •当处于活跃态的ULT调用一个阻塞的系统调用时，它对应的LWP进入阻塞状态，这个ULT将继续处于活跃状态并继续与相应的LWP绑定，直到线程库显式地做出变动。