（四）操作系统-多线程
发布于 2021年04月21日1 min read
线程的引入
- 提高系统并行性
- 硬件方面：流水线计算机、数据流计算机、并行处理器、流水存储器、多体交叉及多端口存储器等；
- 操作系统方面：中断、通道、多道程序设计技术、并发程序技术。
- 仅使用进程来解决并行性问题的缺点
- 经常性的进程开关，系统开销很大；
- 与进程运行有关的表格要改写；
- 进程的地址空间要进行转换为新被调度的进程的地址空间；
- 两次模式开关的开销（用户模式—内核模式—用户模式）
- 经常性的进程开关，系统开销很大；
- 传统的进程概念有两个严重的局限性
- 许多应用想并发执行彼此间独立的任务，但又必须要共享一个公共的地址空间和其他资源，将这类应用中独立的任务串行化，效率很低；
- 传统的进程不能很好地利用多处理器系统。
线程（thread）的概念
概念：
- 进程内的一个执行单元
- 进程内的一个可调度实体
- 线程是程序（或进程）中相对独立的一个控制流序列
- 线程是执行的上下文，即执行的现场数据和其他调度所需要的信息
线程是进程内一个相对的、可调度的执行单元 ； 有些系统把线程称为轻质进程（lightweight process）
线程的性质
- 线程是进程内一个相对独立的可执行单元；
- 线程是操作系统中的基本调度单元，因此线程中应包含有调度所需要的必要信息；
- 每个进程在创建时，至少需要同时为该进程创建一个线程，即进程中至少要有一个或一个以上线程，否则该进程无法被调度执行；
- 需要时，线程可以创建其他线程；
- 进程是被分给并拥有资源的基本单元，同一进程内的多个线程共享该进程的资源，但线程并不拥有资源，只是使用它们；
- 由于共享资源（数据和文件），所以线程间需要通信和同步机制；
- 线程有生命周期，有诞生和死亡，在生命周期中有状态的变化。
多线程机制的优点
- 在进程内创建多线程，可以提高系统的并行处理能力。
- 线程机制可显著提高程序执行的有效性，也可方便用户编程；
- 不但适用于多机系统（尤其是对称式多机系统），而且对大多数单CPU系统也同样有好处。
- 首先用于创建和撤消线程的开销比创建和撤消进程的系统开销（CPU时间）要少得多（比如不需要建立它的地址空间和所需资源等）；
- CPU在线程之间开关时的开销也远比在进程之间开关的开销小；
- 线程机制也增加了通讯的有效性（无须内核参与）；
- 方便和简化了用户的程序结构工作。
线程的状态
所谓状态是指线程当前正在干什么和它能干什么
几个基本状态：
- 就绪状态
- 运行状态
- 等待状态（或阻塞状态）
线程没有挂起操作和挂起状态；
- 线程不是资源的拥有者，资源属于进程，所以线程不应有决定整个进程或自己从主存撤出的权力。
进程中可能有多个线程，当其中一个线程在执行中成为阻塞状态时，不阻塞其他线程，该进程中其他线程仍然可以参与调度运行；
对于多线程进程中的进程状态，可以只划分为活动（可运行）状态和非活动（不可运行）状态。
线程的生命周期图：
线程的状态转换
运行状态到阻塞状态
- 其他线程使用Sleep( )原语；
- 因为“挂起”原语；
- 该线程自己“等待”某个条件（事件）；
- 该线程请求I/O服务。
阻塞状态到可运行状态
- 唤醒
- 解除挂起
- 条件发生
- I/O完成
进入死亡状态
- 线程自己由于完成而使用Exit原语结束自己；
- 被其他线程使用Stop原语而突然结束。
线程的描述（TCB）
线程控制块TCB——描述和记录其属性和调度所需的数据，是线程存在的标志。
- 线程状态（就绪、运行、阻塞等）
- 当线程不运行时，被保存的现场信息；
- 程序计数器、程序状态字、通用寄存器、堆栈指针
- 一个执行堆栈；
- 存放每个线程的局部变量的主存区；
- 访问被同一进程中所有线程共享的该进程的主存和其他资源。
线程的管理
- 也用链指针将TCB或线程对象按它们所处的状态链接成相应的线程队列来加以管理；
- 操作系统的进程管理程序为某用户应用程序创建进程时，同时为该进程创建第一个线程；
- 以后在线程的运行过程中，线程可以在需要的时候创建所需的线程；
- 线程间不提供父子关系的支持。
线程控制原语
创建线程原语
- 为线程得到一个TCB或线程对象，并初始化线程ID，线程描述表（程序计数器PC、程序状态字PSW、通用寄存器、堆栈指针等）和其他有关项，然后进入相应就绪队列。
撤消线程原语
- 撤消线程TCB或线程对象、线程堆栈和描述表。
阻塞或等待原语
挂起一个线程
恢复（解挂）一个线程
改变优先数
基于线程的操作系统分类
- 单进程和单线程系统——只有一个进程，每个进程中只有一个线程，如MS-DOS；
- 多进程和单线程系统——有多个进程，但每个进程中只有一个线程，如传统意义上的UNIX系统；
- 单进程和多线程系统——只有一个进程，但每个进程有多个线程；
- 多进程和多线程系统——有多个进程，每个进程中又有多个线程，是当前应用最广泛的系统类型。
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