华南理工大学 陈虎 博士 tommychen74@yahoo.com.cn 多核处理器上的操作系统 华南理工大学 陈虎 博士 tommychen74@yahoo.com.cn
参考文献 Andrew Tanenbaum, Modern Operating Systems, 2nd Edition, Prentice Hall, 2001 David A. Solomon, Inside Microsoft Windows 2000（Windows 2000内核揭密）, 3nd Edition, Microsoft Press，2001 Curt Schimmel, UNIX Systems for Modern Architectures（现代体系结构上的UNIX系统：内核程序员的SMP和Caching技术），Addison Wesley, 1994
线程与进程 进程：是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 程序：只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，只是一个静态实体。 线程（Thread）：是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。
线程和进程 (续) 线程和进程的关系 线程是属于进程的，线程运行在进程空间内，同一进程所产生的线程共享同一内存空间，当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。
什么是线程 一个执行状态（包括运行running, 准备好ready，挂起suspend等） 在线程未运行时需要保存上下文（PC，寄存器的值等） 线程有自己的独立运行堆栈 有些系统的线程可以有自己的私有存储空间 一个进程派生出的所有线程共享一个统一的地址空间
操作系统中的进程和线程 根据进程与线程的设置，操作系统大致分为如下类型： 单进程、单线程: MS-DOS大致是这种操作系统； 多进程、单线程: 多数UNIX（及类UNIX的LINUX） 是这种操作系统； 多进程、多线程: Win32（Windows NT/2000/XP等）、Solaris 2.x和OS/2都是这种操作系统； 单进程、多线程: VxWorks是这种操作系统。
用户级线程 所有线程管理都由用户实现； 线程切换开销小； 一个线程挂起导致所有线程挂起； 内核不知道线程的存在： 内核调度的单位是进程
内核级线程 内核调度的基本单位是线程（Windows） 内核保持了所有线程和进程的上下文现场
组合方案 可以直接创建内核级线程，也可以在内核级线程上创建应用级线程(Solaris)
线程的主要特点 使用线程的主要好处是： 缺陷： 在进程内创建、终止线程比创建、终止进程要快； 同一进程内的线程间切换比进程间的切换要快，尤其是用户级线程间的切换。 一个进程的所有线程共享该地址空间，线程之间的数据交换非常方便 线程对解决客户/服务器模型非常有效 缺陷： 一个线程出现异常情况可能导致所有线程崩溃。
多线程合理利用 多线程确实给应用开发带来了许多好处，在以下情况下可以考虑使用多线程： 应用程序中的各任务相对独立； 某些任务耗时较多； 各任务需要有不同的优先级； 对于一些实时系统应用，应考虑多线程。
多核处理器上操作系统关键问题 线程调度机制； 锁、信号量的实现机制； 存储器一致性的管理机制； 重点：线程调度机制
分时共享调度机制 有一个唯一的调度队列
空间共享调度策略 多个线程组被划分在固定的多处理器区域上
Windows 2000的多线程调度机制 可运行处理器集合掩码(affinity mask) 理想处理器(ideal processor) 指定了线程运行的处理器集合 初始化为所有可以使用的处理器 可以通过SetThreadAffinityMask函数改变 理想处理器(ideal processor) 线程应该运行的处理器 初始化时随机选择 可以通过SetThreadIdealProcessor函数改变 备选处理器(next processor) 线程运行的备选处理器
Windows 2000的线程调度策略 当有线程处于就绪状态时，按照以下次序选择处理器运行 优先选择理想处理器； 然后选择备选处理器； 当前处理器（正在调度代码的处理器） 从可运行处理器集合掩码的最低位向最高位扫描，检查是否有空闲处理器
Windows 2000的线程调度策略 如果所有处理器都处于忙的状态，则检查可否抢占其中一个处理器上的线程，检查顺序为： 理想处理器 备选处理器 可运行处理器掩码的最高位开始扫描
课堂讨论 相对于多进程而言，使用多线程在多核处理器上设计程序有何优势？ 为什么在Windows 2000中总是希望将特定线程尽量指定在一个处理器上运行？