操作系统原理学习笔记（十）-线程(2021/1/3更新)

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这样写的进度太慢了，我试着换种写法，不照本宣科了。

2020/1/3：更新一句写错的句子，以及更改几个错别字。

线程的引入

进程的引入可使多个程序能并发执行，以提高资源利用率与系统吞吐量，
线程的引入则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使得OS更好并发。

进程有两个基本属性：
拥有一定的资源、是一个可独立调度和分派的基本单位

而为了实现程序并发执行，OS又需进行一系列操作：
创建进程、撤销进程、进程切换。

若将进程的两个属性分开，那么实现程序并发执行所需的资源就可以减少：
因此，引入了线程，将其作为调度和分派的基本单位。

线程与进程的比较

线程具有许多传统进程的特征，因此线程也被称为轻型进程(Light-Weight Process)或进程元，
相应地，传统进程被称为重型进程(Heavy-Weight Process)。

• 调度的基本单位：
  传统OS中，进程是作为独立调度和分派的基本单位，因而也是能独立运行的基本单位，
  引入线程的OS中，上述的两个基本单位都从进程变成了线程。
  线程的切换仅需保存和设置少量寄存器内存，大大降低切换代价，
  在同一进程中，线程切换不会引起进程切换，
  但从一个进程的线程切换到另一个进程的线程时会引起进程切换。
• 并发性：
  引入线程的OS中，进程之间可并发执行，一个进程的多个线程也能并发执行（可全部并发），提高了并发性，有效提高系统资源利用率以及系统吞吐量。
  并发可用于一个进程中的不同任务，如显示，输入与输入检查，
  也可用于同时处理多个相同任务。
• 拥有资源：
  进程是作为系统中拥有资源的一个基本单位，
  线程只拥有少量必不可少的资源，此外，多个线程还可共享资源。
• 独立性：
  同一进程中不同线程的独立性比不同进程间的独立性低。
  因为为了防止进程间相互干扰，进程拥有独立的地址空间以及其他资源，除全局变量外的资源都不允许被其他进程访问，
  而线程是为了提高并发性而创建的，共享了不少资源，因此独立性较差。
• 系统开销：
  创建或撤销进程时要分配和回收PCB及相关资源（内存、I/O设备等），
  在Solaris 2 OS中，线程创建比进程创建快30倍，线程上下文切换也比进程上下文切换快5倍。
• 支持多处理机系统：
  单线程进程智能运行在一个处理机上，但多线程进程可运行在多个处理机上。

线程的状态和线程控制块

线程运行的三个状态：
执行状态、就绪状态、阻塞状态，线程状态间切换与进程状态间切换一般。

线程控制块TCB包括：
1.线程标识符
2.一组寄存器
3.线程运行状态
4.优先级
5.线程专有存储区
6.信号屏蔽（信号可作为通信手段，也可屏蔽）
7.堆栈指针

多线程OS中的进程属性：
OS支持一个进程中的多线程并发执行，但此时进程不再作为一个执行的实体。
1.进程是一个可拥有资源的基本单位（线程只代替了调度和分配的特征）。
2.多线程可并发执行，线程可多可少，但一个进程中至少有一个线程
3.进程不再是可执行的实体，线程才是。此时进程的执行状态是指进程中的某线程正在执行。

线程的实现方式

线程在许多OS中被实现，但实现方式各有不同。

内核支持线程KST(Kernel Supported Threads)

KST的创建、阻塞、撤销、切换等，都在内核空间实现。
为了对KST进行控制和管理，内存空间中，每个内核都设置了一个线程控制块，大多数OS都支持KST。

优点：
1.多处理系统中，内核可调度同一进程中多个进程并发执行。
2.如果进程中一个线程被阻塞了，内核可调度该进程中其他线程占用处理器运行，也可运行其他进程中的线程。
3.KST切换开销小。
4.内核本身也可使用多线程技术，提高OS执行速度与效率。

缺点：
对于用户线程切换而言，开销大，因为用户线程运行在用户态，而线程调度和管理在内核中实现。

用户级线程ULT(User Level Threads)

ULT在用户空间中实现，线程的创建、撤销、同步与通信等功能都无需内核支持。
线程任务控制狂设置在用户空间，且线程操作无需内核帮助，因此内核完全不知道ULT的存在。
但在使用ULT的系统中，调度的基本单位是进程，因此，在轮转调度算法中，不论进程中线程数量多少，进程被分配的时间不会有变化，
而使用KST的系统中，调度的基本单位是线程，在轮转调度算法中，一个拥有更多线程的进程会获得更多的时间片。

优点：
1.线程切换不需要转换到内核空间，减少了模式切换开销。
2.调度算法可以是进程专用的。不干扰OS调度的情况下，不同进程可选择不同调度算法对自身线程进行管理。
3.ULT的实现与OS平台无关，即，用户级线程可以在不支持线程机制的OS平台上实现。

缺点：
1.线程执行一个系统调用时，不仅自身被阻塞，同一进程的其他线程也会被阻塞，而在KST中不会。
2.在单纯的ULT实现中，多线程应用不能利用多处理剂进行多重处理的优点，内核每次只会分配一个CPU给该进程。

组合方式

将KST与ULT组合，可以结合其优点，克服其不足。
根据用户级线程与内核支持线程连接方式的不同，可以分成三种模型：

• 多对一模型：
  多个用户线程映射到一个内核控制线程，一般用户线程属于同一进程。
  优点：线程管理开销小、效率高。
  缺点：一个线程阻塞会导致整个进程阻塞、一次只能运行一个线程。
• 一对一模型：
  每个用户线程都对应一个内核支持线程。
  优点：一个线程阻塞时，允许调度另一个线程运行、可以充分利用多处理机。
  缺点：开销大，需要限制整个系统的线程数。
• 多对多模型：
  N个用户线程对应M个内核支持线程，N>=M。
  结合了前两个模型的优点，不仅减少了管理开销，提高了效率，还可以多线程并行运行在多处理机系统上。

线程的实现

内核支持线程的实现

OS在创建一个新进程时，分配一个任务数据区PTDA(Per Task Data Area)，包括若干线程控制块TCB空间，保存在内核中。

创建一个线程时，为其分配一个TCB，填入相关信息并分配必要资源，
若TCB空间用完，且没有超过系统线程数量限制，可分配新的TCB空间，
撤销线程时，有的系统立即撤销，有的不会立即回收资源，而是等待下次创建线程时将其分配，以便提高效率。

内核支持线程的调度与切换与进程调度切换相似，也分为抢占式和非抢占式，
调度算法中，同样可采用时间片轮转法、优先权算法等。

用户级线程的实现

• 运行时系统(Runtime System)：
  用于管理和控制线程的函数的集合，运行时所有函数驻留在用户空间，并作为线程与内核间接口。
  切换时无需转入核心态，而是由运行时系统中的线程切换函数，执行切换任务，切换效率高。
• 内核控制线程/轻型进程LWP(Light Weight Process)：
  一个进程可拥有多个LWP，LWP可通过系统调用获得内核提供的服务，
  当用户级线程运行时，可将其连接到一个LWP上，这样可获得内核支持线程的所有属性。
  为了节省开销，减少LWP数目，LWP做成缓冲池，成为线程池，任意用户级线程均可利用LWP与内核通信，
  内核只能看到LWP，不能看到用户级进程，实现了用户级线程与内核无关。
  内核级线程阻塞时，LWP上的用户级线程也会被阻塞，
  若一个进程只有一个LWP，则进程阻塞，但若有多个LWP，即便所有LWP被阻塞，进程中线程也能执行，只是不能访问内核。

线程的创建和终止

线程创建：
程序启动时，通常仅一个线程运行，这个线程被称为初始化线程，用于创建新线程。
创建新线程时，需要调用线程创建函数（或系统调用），并提供一系列参数。
创建完成后，将返回线程标识符。

线程的终止：
线程完成任务后，或线程运行中出现异常情况须被终止，由终止线程调用相应函数（或系统调用）对其终止。
大多OS中，线程终止后不会立即释放资源，只有当进程中的其它线程执行了分离函数后，被终止的线程才与资源分离，此时资源才能被其他线程利用。