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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
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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
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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。
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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。
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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
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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。
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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
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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
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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)
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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。
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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。
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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
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分时共享调度机制 有一个唯一的调度队列
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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
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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
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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
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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
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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？
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