日期：2019/5/3
關鍵詞：操作系統；線程。
一、線程與進程
進程的特點：
- 資源所有權：進程對資源（內存、I/O通道、I/O設備、文件等）具有控制權。
- 調度/執行：進程是OS調度和分派的實體。
1.1 多線程模型
關鍵點：
- TCB控制塊：寄存器的值、程序計數器、棧指針、優先級等與線程相關的狀態信息。
- 所有線程共享進程的狀態和資源。例如，全局變量，文件描述符表。當一個線程以讀權限打開文件，其他線程也能讀取（無需重復open）
線程的優點：
- 創建或者終止線程時空效率高。（Unix中，創建線程比創建進程的時間快10倍）
- 線程切換比進程切換所花時間少。
- 通信效率高。進程需要內核介入才能通信。
二、線程模型分類
2大類：用戶級線程（User Level Thread）和內核級線程（Kernel Level Thread）。
2.1 ULT
ULT線程管理由應用程序完成，內核意識不到線程的存在。（通信、調度等通過線程庫實現）
ULT線程調度與進程調度的關系，也是ULT與KLT的本質區別。
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初始狀態： 線程庫中：線程2運行 OS內核中：進程B運行 |
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假設1：線程2進行了一個將會阻塞進程B的系統調用（例如IO操作）。那么： 內核把B阻塞，切換到另外一個進程。 但在線程庫的角度看來，線程2仍處於運行狀態。（但從CPU的角度看，不是真的運行） |
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假設2：時鍾中斷到來，B用完其時間片，內核進行進程切換，B從運行轉為就緒。但在線程庫的角度看來，線程2仍處於運行狀態。 |
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假設3：線程2運行到需要線程1執行某些動作的一個點。（例如，1負責數據輸入，2負責計算和輸出這種情況） 線程2阻塞，線程庫調度線程1運行。 |
總結：
- b-d的三種狀態其實都是a的過渡。
- 在b和c中，內核把控制權切換到進程B，線程2就會回復執行。
- 進程在執行線程庫代碼時可被中斷，在中斷時可能處於線程切換狀態。（進程被恢復時，才能完成線程切換）
ULT優點：
- 線程庫在用戶空間當中，線程切換不需要陷入內核。（節省2次上下文切換）
- 可以自定義線程調度算法。
- ULT可在任意OS中使用，不需要修改內核。
ULT缺點：
- 有一個ULT進行系統調用，那么所有線程都會阻塞。
- 純ULT策略，多線程的程序不能使用CPU的多核技術。（因為內核調度的是進程，所以在純ULT策略下，多線程並不是真的在並行）
2.2 KLT
純KLT下，線程管理由內核完成，應用級沒有線程管理的代碼（只提供API）。
如上圖4.5(b)，此時內核的調度單位是線程，一個線程阻塞，其他線程仍然在真的執行（前提CPU是多核）。
但線程調度需要陷入內核，時間花銷更大。
一組對比實驗：
- Null Fork：創建、調度、執行和完成調用一個空過程的進程/線程的時間。（派生一個線程/進程的開銷）
- Signal-Wait：進程/線程給正在等待的進程/線程發信號，然后在某個條件上等待需要的時間。（完成一次同步的開銷）
2.3 ULT+KLT組合方式
三、Linux的線程和進程管理
3.1 Linux進程
Linux中的進程/任務由一個task_struct表示，它包含以下信息：
- 進程的狀態（執行、就緒、掛起、停止、僵死）
- 調度信息：一個進程可能是普通或實時的，並具有優先級，實時進程在普通進程之前調度。
- 標識符：PID，用戶標識符和組標識符。組標識符用於給一組進程指定資源訪問權。
- 進程通信：支持Unix SVR4通信。
- 鏈接：到達父子進程的鏈接。
- 時間和計時器：包括進程創建時刻和進程消耗CPU的時間總量。一個進程還可以有若干個間隔計時器，通過系統調用來定義，計時器滿，OS會給該進程發送一個信號。計時器可以只使用一次或者多次。
- 文件系統：包括被該進程打開的任何文件的指針和指向該進程當前目錄的指針。
- 地址空間：定義分配給該進程的虛擬地址空間。
- CPU專用上下文：寄存器、棧指針。
3.2 Linux線程
傳統Linux內核：
- 單線程進程，不支持多線程
- 多線程程序需要用戶線程庫實現（也就是純ULT策略），最著名的就是pthread庫了。（所以即使在多核CPU環境下，使用pthread庫寫的多線程排序時間效率上並不比單線程好，因為這種情況下CPU調度進程（在CPU看來這個進程只有一個線程），實際上就是多個線程輪流使用CPU的某個核）
現代Linux內核：
- 不區分進程和線程
- 提供內核級線程的實現
- 將ULT映射到內核級進程
- 組成一個用戶級進程的多個ULT則映射到共享同一個組ID的多個Linux內核進程上（這些進程可共享文件和內存等資源，使得同一個組的進程調度不需要上下文切換）。
fork底層是通過clone系統調用實現，將所有標志位清零。標志位如下：
當進行進程切換時，內核先檢查當前進程的頁目錄地址是否與被調度的進程相同。若相同，則他們共享一個地址空間，此時上下文切換僅僅是PC指針的跳轉。注意：clone可以使同一個進程組的克隆進程共享同一內存空間，但不能共享同一個用戶棧，每個clone進程都有獨立的棧。