中国科学技术大学计算机系 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn Fall 2013 第三讲 线程 中国科学技术大学计算机系 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn Fall 2013

内容提要 为什么要引入线程？ 什么是线程？ Benefits User and Kernel Threads Multithreading Models Solaris 2 Threads Reading： 汤子瀛，二版，2.4 Operating Systems Concepts，7th，chapter4

为什么要引入线程？ Review 进程 考虑一个Web服务器 Fork a new process to do I/O? A big process that can do everything itself? For every client, FORK a new process? 创建一个进程是有代价的 Fork a new process to do I/O? 进程间通信是有代价的 If Multi-processors, ? 思路： 引入“分工合作”的概念 在进程内部进一步引入“并发”

So, separate computation/IO and resources 可行性： A task = computation/IO units + resources Computation/IO units Are (almost) independent in sense of computation/IO Should share the process’ address space and other resources So, separate computation/IO and resources

Process, a heavyweight process 什么是线程？ 线程：有时又称为轻量级进程 是CPU调度的基本单位 Thread ID + PC + Register Set + stack 是进程中的一个运行实体 同属一个进程的线程之间，共享该进程的 code section, data section, and other resources Process, a heavyweight process Traditionally, has only one thread & can do only one task at a time Now, may contains multiple threads 资源的拥有者还是进程！

Single- & multithreaded process

引入线程概念后的应用举例 网页浏览器 显示图片，文字，放音乐，接收数据，… 文档编辑器 显示、输入、拼写检查

线程与进程的比较 调度 并发性 拥有资源 系统开销

引入线程的好处 Responsiveness Resource sharing Economy, when Interactive app. Resource sharing 1:N Economy, when Create a new …, E.g., in Solaris, 30 times slower Context switch, 5 times slower Utilization of multiprocessor architectures Threads of the same process may be running in parallel

引入线程，概念上的一些转变 进程基本属性的变化 切换的变化 地址空间上的变化： 一进程中的线程在另一进程中是不可见的； 通信手段上的变化： 独立性、调度和资源分配的单位 切换的变化 在同一进程内，线程的切换不会引起进程的切换； 地址空间上的变化： 在同一进程内，各线程共享同一地址空间； 一进程中的线程在另一进程中是不可见的； 通信手段上的变化： 同一进程内的线程间的通信主要是基于全局变量进行的；而以同步手段为辅。

线程的实现方式 User threads VS. Kernel threads User Threads Kernel threads Level User Kernel (OS) Implementation Thread Lib. Speed of operations Fast Slower Effect of block OP. Block all No effect Parallelism no yes E.X. POSIX Pthreads, Mach c-threads, Solaris threads WinNT, Solaris, Digital UNIX

User threads + kernel threads Three types 多线程的实现模型 User threads + kernel threads Three types N:1(N>1) 1:1 N:M(N>=M)

N:1, 1:1 & N:M Many-to-One One-to-One Many-to-Many Manager User level User + kernel Speed of OP Fast Slowest slower Effect of Block OP Block all Block itself Concurrency Only in its process Whole Whole (limited) Parallel NO YES YES (limited) E.g. WinNT, OS/2 Solaris, IRIX, Digital UNIX

Solaris 2 Threads User thread + LWP + kernel thread SMP N(1):1(0):1 Bound VS. unbound user-level thread LWP pool for a App. SMP

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作业 阅读参考书，请给出线程的定义。讲明出处。 阅读参考书，说明线程概念有几种实现方式？什么是用户态线程，什么是内核态线程？它们之间的对应关系有几种？说明出处。 与进程相比，引入线程主要有哪些好处？ 无上机作业