04 第四章 多线程.pptx

第1页：第四章 多线程

第四章 多线程（thread）：线程是近年来操作系统领域出现的一个非常重要的机制和技术，其重要程度不亚于进程。线程机制对提高程序执行有效性的效果显著，而且也方便了用户结构和编程。不但适用于多机系统，而且对大多数的单 CPU 的个人计算机也同样带来好处，当代操作系统都支持线程。

第2页：进程在操作系统中的作用

进程在操作系统中的作用

• 进程是拥有自己资源的基本单元
• 进程是被调度到处理机上运行的单元体

第3页：进程的局限性

进程的局限性

• 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，传统的进程概念对并行进程本身难以支持
• 传统的进程不能很好的利用多处理器，因为一个进程在某个时刻只能使用一个处理器

第4页：引入线程的原因

在操作系统中，进程的引入提高了计算机资源的利用效率。但在进一步提高进程的并发性时，人们发现进程切换开销占的比重越来越大，同时进程间通信的效率也受到限制。线程的引入正是为了简化进程间的通信，以小的开销来提高进程内的并发程度。

第5页：引入多线程技术的重要性

引入多线程技术的重要性

• 并行技术发展的需要
• 网络技术发展的需要
• 软件技术发展的需要
• 并发程序设计的需要

第6页：线程的概念

线程是指进程中的一条执行路径，是系统进行处理器调度的基本单位，同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源。

线程具有

• 一个线程执行状态
• 有一个受保护的线程上下文，当线程不运行时用于存储现场信息
• 一个独立的程序指令计数器
• 一个执行堆栈
• 一个容纳局部变量的静态存储器

第7页：对线程的不同理解

对线程的不同理解

• 进程内的一个执行单元
• 进程内的一个可调度单元
• 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，其含义是执行的现场的数据和其他调度所需的信息

第8页：线程的特性

并行性

同一进程的多个线程可在一个或多个处理器上并发或并行运行

共享性

同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和一切资源

动态性

线程也是程序在相应数据集上的一次执行，由创建而产生，至撤销而消亡，有其生命周期

第9页：线程的性质

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的调度单元
• 进程中至少要有一个或一个以上的线程
• 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，同一进程中的线程共享资源，但并不拥有资源，只是使用资源
• 由于共享资源，线程间需要通信和同步机制
• 线程有生命期，有诞生和死亡

第10页：线程的好处

线程的好处

• 创建和撤销线程的开销比创建和撤销进程小：如创建进程需要建立 PCB 并初始化、加入进程队列、申请内存空间以存放代码和数据、列出资源清单等，而建立线程只需建立线程控制表并将其加入线程队列
• 两个线程的切换（开关）花费时间少
• 通讯效率比较高，因为同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核
• 适合多处理机系统

第11页：线程的应用

线程的应用

• 前台和后台工作
• 异步处理工作
• 加快执行速度
• 组织复杂工作
• 多用户服务

第12页：线程的状态

线程的状态

就绪状态

线程已具备执行的条件，等待调度程序分配给一个 CPU 运行

运行状态

线程正在 CPU 上运行

等待状态

线程正等待某事件发生

第13页：进程与线程的比较

进程与线程的比较

• 进程中有挂起操作，线程不拥有资源，没有权力决定进程或线程自己从主存撤出，挂起只是进程一级的概念，线程没有挂起状态
• 进程中可能有多个线程，一个线程阻塞并不影响整个进程，进程中的其他线程仍然可以参与调度运行

第14页：线程控制原语

线程控制原语

• 创建线程原语
• 撤消线程原语
• 阻塞或等待原语
• 挂起一个线程（注意：与挂起一个进程有什么不同？）
• 恢复（或解除挂起）一个线程
• 改变优先数原语

第15页：线程组（thread group）

线程组（thread group）：为方便地管理线程，引入线程组。

• 每个线程属于某个线程组
• 每个线程创建时，用户可以显式的说明为它创建一个新的线程组；也可以由系统自动把该线程归入创建该线程的线程所在的线程组
• 线程组是多个线程的集合，系统将它们归入一个单独的对象，统一加以管理
• 可为线程组设置不同的特性和保密安全方法
• 一个线程在已被创建后，不能更改移入其他线程组

第16页：单线程进程模型

单线程进程（模型）示意图：本页以图示方式展示单线程进程由用户地址空间、进程控制块、用户堆栈、内核堆栈构成，并标明管理者与执行序列。

第17页：多线程进程模型

多线程进程（模型）示意图：本页以图示方式展示多线程进程中各线程分别拥有线程控制块、系统堆栈与用户堆栈，并共享进程的用户地址空间与进程控制块。

第18页：基于线程的操作系统分类

基于线程的操作系统分类

单进程和单线程系统

只有一个进程和一个线程，如 MS-DOS

多进程和单线程系统

有多个进程，每个进程只有一个线程，如 UNIX

单进程和多线程系统

只有一个进程，每个进程有多个线程，如 Java Run-time System

多进程和多线程系统

有多个进程，每个进程又有多个线程，如 WINDOWS NT

第19页：线程的实现机制

线程的实现机制

• 用户级线程
• 核心级线程
• 两者结合方法

第20页：用户级线程（ULT）

用户级线程（User Level Thread，ULT）

• ULT 是指由用户应用程序建立的线程
• 由应用程序完成 ULT 的调度执行和管理（注意：不是由操作系统完成，为什么？操作系统本身不是基于多线程的，如 MS-DOS、UNIX）
• 核心不知道线程的存在
• 线程切换不需要核心态特权
• 调度是由应用程序特性而定

第21页：线程库（Threads Library）

Threads Library 是一个基于多线程的用户应用程序开发环境和运行环境：

• 创建、撤消线程
• 在线程之间传递消息和数据
• 调度线程执行
• 保护和恢复线程上下文

第22页：对用户级线程的核心活动

对用户级线程的核心活动

• 核心不知道线程的活动，但仍然管理线程的进程的活动
• 当线程调用系统调用时（如线程 A 申请 I/O 或其他资源），整个进程阻塞，但对线程库来说其他线程仍然是运行状态，即线程状态是与进程状态独立的
• 当然，在基于进程的操作系统（MS-DOS、UNIX）中，调度是以进程为单位的，实际上其他线程也都被阻塞了

第23页：用户级线程的优点

用户级线程的优点

• 线程切换不调用核心
• 调度是应用程序特定的：可以选择最好的算法
• ULT 可运行在任何操作系统上（只需要线程库）

第24页：用户级线程的缺点

用户级线程的缺点

• 大多数系统调用是阻塞的，因此核心阻塞进程，故进程中所有线程将被阻塞
• 核心只将处理器分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上

第25页：核心级线程（KLT）

核心级线程（KLT）

• 所有线程管理由核心完成
• 没有线程库，但对核心线程工具提供 API
• 核心维护进程和线程的上下文
• 线程之间的切换需要核心支持
• 以线程为基础进行调度
• 例子：Windows NT，OS/2

第26页：核心级线程的优点及缺点

核心级线程的优点及缺点

优点

对多处理器，核心可以同时调度同一进程的多个线程；阻塞是在线程一级完成；核心例程是多线程的

缺点

在同一进程内的线程切换需调用内核，导致速度下降

第27页：ULT和KLT结合方法

ULT 和 KLT 结合方法：

• 线程创建在用户空间完成
• 大量线程调度和同步在用户空间完成
• 程序员可以调整 KLT 的数量
• 可以取两者中最好的
• 例子：Solaris（改进型的 UNIX）

第28页：本章结束致谢页

Thanks！