【操作系统】进程的描述与控制[线程](4)

Myth丶恋晨 2022-12-19 13:11 207阅读 0赞

> 写在前面  
> 资料来源于我的操作系统老师——WYQ老师  
> 感谢我的老师

### 文章目录 ###

*  2.8 线程及其实现
 *   *  1.线程的概念
     *   *  练习题
     *  2.线程的实现及控制
     *   *  例题
         *  练习题

# 2.8 线程及其实现 #

1.线程的基本概念  
2.线程的实现及控制

**引入进程 的目的：**  
使多个程序能并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量。  
**引入线程 的目的：**  
应用的需要/ 开销的考虑/ 性能的提升

**开销的考虑**

（1）进程相关的操作：

*  创建进程
 *  撤消进程
 *  进程通信
 *  进程切换  
    → 时间/空间开销大，限制了并发度的提高。

（2）线程的开销小

*  创建一个新线程花费时间少（撤销亦如此）
 *  两个线程切换花费时间少
 *  线程之间相互通信无须调用内核（同一进程内的线程共享内存和文件）

**性能的提升**

*  多个线程，有的计算，有的I/O，进一步提高并发度。
 *  充分利用多处理器的优势。

## 1.线程的概念 ##

在同一进程增加了多个执行序列（线程）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
**（1）线程**：进程中的一个运行实体，是CPU的调度单位,有时将线程称为轻量级进程  
**进程与线程**

*  进程是资源分配单位
 *  线程是CPU执行单位  
    **多线程优点**
 *  切换速度快（地址空间不变）
 *  系统开销小
 *  通讯容易（共享数据空间）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
    **（2）线程模型**  
    每个线程拥有自己的栈：局部变量、返回地址  
    **（3）线程控制块**
 *  **TCB（Thread control block)**  
    标志线程存在的数据结构， 其中包含对线程管理需要的全部信息．
 *  **内容**  
    线程标识、线程状态  
    调度参数、现场(通用寄存器,PC,SP)
 *  **存放位置**  
    用户级线程：目态空间  
    核心级线程：管态空间

**（4）线程的属性**：并发性、共享性、动态性

*  轻型实体：只有一点必不可少的、能保证独立运行的资源
 *  CPU调度的基本单位
 *  可并发执行
 *  共享进程资源

**（5）线程的优点**

*  快速切换；
 *  易于通信；
 *  并行度高；
 *  节省内存；
 *  减少管理开销。

**（6）线程的基本状态**

*  执行状态
 *  就绪状态
 *  阻塞状态

**（7）线程的创建和终止**

*  **线程的创建**  
    利用线程创建函数(或系统调用)；  
    创建成功后，返回一个线程标识符。
 *  **线程的终止方式**  
    自愿退出  
    被其它线程强行终止

**（8）线程与进程的比较**

*  线程：作为CPU调度单位。  
    线程只拥有必不可少的资源，如：线程状态、寄存器上下文和栈  
    同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态
 *  进程：其它资源分配单位（存储器、文件、IO等）。
 *  调度：线程作为CPU调度的基本单位，而进程只作为其它资源分配单位。
 *  并发性：进程之间可以并发，且一个进程的多个线程之间亦可并发。
 *  拥有资源：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享资源。某进程内的线程在其它进程不可见。
 *  系统开销：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

### 练习题 ###

**1.** 线程机制中，一个进程可以对应多个线程，一个线程也可以对应若干个进程。  
**解答：** 错！  
一个进程可以拥有若干个线程，线程从属于该进程，同一进程内所有线程共享该进程的地址空间，而不同进程之间的地址空间是完全独立的，如果一个线程可以对应若干个进程，那么也就意味着不同进程之间的地址空间可以共享，这显然是不合适的。

## 2.线程的实现及控制 ##

*  用户级线程——User-level thread
 *  核心级线程——Kernel-level thread
 *  混合线程——Hybrid approach

**（1）用户级线程和内核支持线程**

*  **内核支持线程**，它们是依赖于内核的，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消、切换都由内核实现。
 *  **用户级线程**，对于这种线程的创建、撤消、和切换，都不用系统调用来实现。内核并不知道用户级线程的存在。

**（2）核心级线程**

*  所有线程管理由核心完成
 *  没有线程库，但核心提供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  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
    当一个线程想去创建一个新线程或撤消已存在的线程时，它发出一个内核调用，完成创建和回收工作。  
    **实现方法：**
 *  基于系统调用
 *  创建、撤销、状态转换由操作系统完成

**优点：**

*  对多处理器，核心可以同时调度同一进程的多个线程
 *  某线程阻塞，其它线程仍可执行

**缺点：**

*  应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现,在同一进程中，控制权从一个线程传送到另一个线程时需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较大。
 *  调度算法不能灵活控制

**（3）用户级线程**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
运行时系统：用于管理和控制线程的函数集合。  
**（4）线程库**  
提供线程运行管理系统：

*  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

用户级的线程库能在不支持线程的操作系统中实现线程

*  切换效率高
 *  允许每一个进程有自已定制的调度算法

**实现方法：**

*  基于library函数，系统不可见
 *  线程创建、撤销、状态转换在目态完成
 *  TCB在用户空间，每个进程一个系统栈

**优点：**

*  不依赖于操作系统，调度灵活
 *  切换无须从目态到管态，速度快
 *  ULT可运行在任何操作系统上（只需要线程库），可以在一个不支持线程的OS上实现

**缺点：**

*  核心只将处理器分配给进程，在多处理机中同一进程中多个线程不能真正并行
 *  一个线程进入系统受阻，进程中其它线程不能执行

### 例题 ###

**1.** 设进程A拥有1个用户级线程，进程B拥有100个用户级线程，则在系统调度时各占用几个时间片？  
**答**：1个  
**2.** 设进程A拥有1个内核级线程，进程B拥有100个内核级线程，则在系统调度时各占用几个时间片？  
**答**：A:1个;B:100个

**用户级线程与核心级线程的比较**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQ2MDIyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
**（5）混合线程**

*  在混合式线程系统中，内核支持KLT多线程的建立、调度和管理；
 *  同时,也提供线程库，允许用户应用程序建立、调度和管理ULT；
 *  一个应用程序的多个ULT映射成一些KLT,程序员可按应用需要和机器配置调整KLT数目，以达到较好效果；
 *  混合式中，一个应用中的多个线程能同时在多处理器上并行运行，且阻塞一个线程时并不需要封锁整个进程。如果设计得当，混合式多线程机制能够结合了两者优点，舍去缺点。

### 练习题 ###

**1.** 在以下描述中，（C）并不是多线程系统的特长。  
A. 利用线程并行地执行矩阵的乘法运算  
B. Web服务器利用线程响应HTTP请求  
C. 键盘驱动程序为每一个正在运行的应用配备一个线程，用以响应该应用的键盘输入  
D. 基于GUI的调试程序用不同的线程分别处理用户输入、计算和跟踪等操作

**2.** 同一进程中的多个线程有哪些成分是共用的，哪些成分是私用的？  
**答：** 线程的公有成分包括:  
代码区、数据区、动态堆空间。  
线程的私有成分包括：  
线程控制块；  
一个执行栈；  
运行时动态分给线程的寄存器。

**3.** \[2012考研试题 31\]下列关于进程和线程的叙述中，正确的是(A)  
A．不管系统是否支持线程，进程都是资源分配的基本单位  
B．线程是资源分配的基本单位，进程是调度的基本单位  
C．系统级线程和用户级线程的切换都需要内核的支持  
D．同一进程中的各个线程拥有各自不同的地址空间

**4.** 在支持多线程的系统中，进程P创建的若干线程不嗯呢该共享的事（D）  
A.进程的代码段  
B.进程P中打开的文件  
C.进程P的全局变量  
D.进程P中某线程的栈指针

**5.** 下列对线程的描述中，(B)是错误的。  
A．不同的线程可执行相同的程序  
B．线程是资源分配单位  
C．线程是调度和执行单位  
D．同一进程中的线程可共享该进程的主存空间

**6.** 以下说法中哪个是正确的？（C）  
A.线程是进程中可独立执行的子任务，一个进程可以包含一个或多个线程，一个线程可以属于一个或多个进程。  
B.线程又称为轻型进程，因为线程都比进程小。  
C.多线程技术具有明显的优越性，如速度快、通信简便、并行性高等。  
D.由于线程不作为资源分配单位，线程之间可以无约束地并行执行。

\*\*7.\*\*进程与线程的根本区别是（C）  
A．进程要占用一个进程控制块，开销较大，而线程无此开销  
B．进程会增加死锁的机会，而线程有效避免了这一问题  
C. 进程是资源分配单位，而线程是调度和执行的单位  
D. 进程是调度和执行的单位，而线程是资源分配单位

**8.** 用户级线程执行时，同一进程不同线程的切换不需要内核支持。  
**答：** 正确

**9.** 在支持线程的操作系统中，同一个进程中的各个线程共享该进程的用户栈。  
**答：** 错误

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