操作系统-线程

操作系统

线程是为了更好的使多个程序并发执行，同时减少系统的开销而出现的

线程与进程的比较

• 调度的基本单位 
  传统的OS中，进程作为独立调度和分派的基本单文，每一次调度的时候，都要进行上下文的切换，开销比较大，而用线程作为独立运行的基本单文是，线程的切换只需要保存和设置少量的寄存器内容，开销比进程的销。在同一进程能切换线程不会引起进程的切换，如果切换到另一个进程的线程，则需要切换进程
• 并发性 
  在引入线程之后，不仅进程之间可以并发执行，一个进程中的多个线程也可以并发执行，甚至还允许一个进程中所有的线程并发执行，更加有效的提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量
• 拥有资源 
  线程本身不像进程那样拥有系统资源，仅有一些必不可少的，能保证独立运行的资源，例如线程控制块TCB等，除此之外，多个线程共享进程所拥有的资源
• 独立性 
  在独立性方面，线程不够进程好，进程为了防止进程之间干扰，破坏，每个进程都拥有一个独立的地址空间和其他资源，而线程是为了提高并发性以及进程相互之间的合作而创建的
• 系统开销 
  进程在系统上的开销主要是创建进程，撤销进程，进程切换，特别是在进程切换的时候，涉及到上下文的切换，开销比较大，而由于线程只有少量的资源，在上下文切换的时候，开销比较小
• 支持多处理机系统

线程的控制块TCB

线程和进程一样，拥有控制块TCB，在TCB中有：

• 线程标识符 
  每个线程的唯一标识
• 寄存器 
  包括程序计数器PC，状态寄存器和通用寄存器的内容
• 线程运行状态 
  用于描述线程在哪一个状态
• 优秀级 
  描述线程执行的优先级
• 线程专有存储区 
  用于线程切换时存放的现场保护信息，和与该新城的统计信息
• 信号屏蔽 
  对某些信号屏蔽
• 堆栈指针 
  保存局部变量和返回地址。在线程中设置了两个专项堆栈的指针 
  
  • 指向用户自己堆栈的指针 
    在用户态时，使用用户自己的用户栈来保存局部变量和返回地址
  • 指向核心栈的指针 
    在内核态，线程运行在核心态使用系统的核心栈

线程的实现方式

• 内核支持线程KST 
  线程的创建，阻塞，撤销和切换等都是内核空间实现，在内核控制中也设置了线程控制块TCB，用来管理内核线程 
  
  • 优点 
    
    • 能够同时调度同意进程中的多个线程并执行
    • 进程中的一个线程被阻塞的时候，内核可以调度该进程中其他线程占有处理器运行，也可运行其他进程的线程
    • 支持线程具有很小的数据结构和堆栈，切换快，开销小
    • 采用了多线程的技术，提高了系统的效率
  • 缺点 
    
    • 对于用户的线程切换的话，切换开销大，需要从用户态切换到核心态，这是因为用户线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现。

• 用户级线程ULT 
  线程的创建，阻塞，撤销和切换等都是用户空间实现，不需要内核的支持，与内核无关

  • 优点 
    
    • 线程切换不需要转换到内核空间，在用户态进行，开销小
    • 用户线程与OS平台无关
    • 调度算法可以使进程专用
  • 缺点 
    
    • 系统调用的阻塞问题，大多数的系统调用都会使进程阻塞，所以当线程执行系统调用时，进程内所有的线程都会被择善

• 组合方式

  • 多对一模型 
    
  • 一对一模型 
    
  • 多对多模型 
    

线程的实现

• 内核支持线程的实现 
  在仅设置内核支持的线程OS中，一种可能的线程控制方法是系统在创建一个新进程时，为它分配一个任务数据区PTDA，但进程要创建一个线程的时候，就分配一个TCB，将相关信息填入该TCB，并分配资源。在撤销线程事不立即回收该线程的资源和TCB，在创建新线程时，直接利用这个。 
  

• 用户级线程的实现 
  用户线程在用户空间实现，所有的用户线程都具有相同的结构，都运行在一个中间系统上。有两种方式实现中间系统，运行时系统和内核控制线程

  • 运行时系统 
    运行时系统实质是用于管理和控制线程的函数（过程）的集合，所有的函数都驻留在用户空间，并作为用户级线程与内核的接口
  • 内核控制线程 
    这种线程有叫做轻型进程LWP，在系统中，LWP不会设置太多，而是把这些LWP做成一个缓冲池，成为“线程池”，当用户级线程需要与内核通信的时候，借助LWP就可以实现，有LWP实现了内核与用户级线程直接的隔离