操作系統-線程

操作系統

線程是為了更好的使多個程序並發執行，同時減少系統的開銷而出現的

 

線程與進程的比較

• 調度的基本單位 
  傳統的OS中，進程作為獨立調度和分派的基本單文，每一次調度的時候，都要進行上下文的切換，開銷比較大，而用線程作為獨立運行的基本單文是，線程的切換只需要保存和設置少量的寄存器內容，開銷比進程的銷。在同一進程能切換線程不會引起進程的切換，如果切換到另一個進程的線程，則需要切換進程
• 並發性 
  在引入線程之后，不僅進程之間可以並發執行，一個進程中的多個線程也可以並發執行，甚至還允許一個進程中所有的線程並發執行，更加有效的提高了系統資源的利用率和系統的吞吐量
• 擁有資源 
  線程本身不像進程那樣擁有系統資源，僅有一些必不可少的，能保證獨立運行的資源，例如線程控制塊TCB等，除此之外，多個線程共享進程所擁有的資源
• 獨立性 
  在獨立性方面，線程不夠進程好，進程為了防止進程之間干擾，破壞，每個進程都擁有一個獨立的地址空間和其他資源，而線程是為了提高並發性以及進程相互之間的合作而創建的
• 系統開銷 
  進程在系統上的開銷主要是創建進程，撤銷進程，進程切換，特別是在進程切換的時候，涉及到上下文的切換，開銷比較大，而由於線程只有少量的資源，在上下文切換的時候，開銷比較小
• 支持多處理機系統

 

線程的控制塊TCB

線程和進程一樣，擁有控制塊TCB，在TCB中有：

• 線程標識符 
  每個線程的唯一標識
• 寄存器 
  包括程序計數器PC，狀態寄存器和通用寄存器的內容
• 線程運行狀態 
  用於描述線程在哪一個狀態
• 優秀級 
  描述線程執行的優先級
• 線程專有存儲區 
  用於線程切換時存放的現場保護信息，和與該新城的統計信息
• 信號屏蔽 
  對某些信號屏蔽
• 堆棧指針 
  保存局部變量和返回地址。在線程中設置了兩個專項堆棧的指針 
  
  • 指向用戶自己堆棧的指針 
    在用戶態時，使用用戶自己的用戶棧來保存局部變量和返回地址
  • 指向核心棧的指針 
    在內核態，線程運行在核心態使用系統的核心棧

 

線程的實現方式

• 內核支持線程KST 
  線程的創建，阻塞，撤銷和切換等都是內核空間實現，在內核控制中也設置了線程控制塊TCB，用來管理內核線程 
  
  • 優點 
    
    • 能夠同時調度同意進程中的多個線程並執行
    • 進程中的一個線程被阻塞的時候，內核可以調度該進程中其他線程占有處理器運行，也可運行其他進程的線程
    • 支持線程具有很小的數據結構和堆棧，切換快，開銷小
    • 采用了多線程的技術，提高了系統的效率
  • 缺點 
    
    • 對於用戶的線程切換的話，切換開銷大，需要從用戶態切換到核心態，這是因為用戶線程在用戶態運行，而線程調度和管理在內核實現。

• 用戶級線程ULT 
  線程的創建，阻塞，撤銷和切換等都是用戶空間實現，不需要內核的支持，與內核無關

  • 優點 
    
    • 線程切換不需要轉換到內核空間，在用戶態進行，開銷小
    • 用戶線程與OS平台無關
    • 調度算法可以使進程專用
  • 缺點 
    
    • 系統調用的阻塞問題，大多數的系統調用都會使進程阻塞，所以當線程執行系統調用時，進程內所有的線程都會被擇善

• 組合方式

  • 多對一模型 
    
  • 一對一模型 
    
  • 多對多模型 
    

 

線程的實現

• 內核支持線程的實現 
  在僅設置內核支持的線程OS中，一種可能的線程控制方法是系統在創建一個新進程時，為它分配一個任務數據區PTDA，但進程要創建一個線程的時候，就分配一個TCB，將相關信息填入該TCB，並分配資源。在撤銷線程事不立即回收該線程的資源和TCB，在創建新線程時，直接利用這個。 
  

• 用戶級線程的實現 
  用戶線程在用戶空間實現，所有的用戶線程都具有相同的結構，都運行在一個中間系統上。有兩種方式實現中間系統，運行時系統和內核控制線程

  • 運行時系統 
    運行時系統實質是用於管理和控制線程的函數（過程）的集合，所有的函數都駐留在用戶空間，並作為用戶級線程與內核的接口
  • 內核控制線程 
    這種線程有叫做輕型進程LWP，在系統中，LWP不會設置太多，而是把這些LWP做成一個緩沖池，成為“線程池”，當用戶級線程需要與內核通信的時候，借助LWP就可以實現，有LWP實現了內核與用戶級線程直接的隔離 
    

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