《线程及其实现》ppt课件

1、2.4 线程及其实现,2.4.1 引入多线程技术的动机 2.4.2 多线程环境中的进程和线程 2.4.3 线程的实现 2.4.4 实例研究：Solaris的进程与线程 2.4.5实例研究：Windows2000/XP的进程与线程,2.4.1 引入多线程技术的动机,考察一个文件服务器的例子 单线程(结构)进程（Single Threaded Process） 多线程（结构）进程（Multiple Threaded process）,单线程结构进程给并发程序设计效率带来问题,进程切换开销大 进程通信代价大 进程之间的并发性粒度较粗，并 发度不高 不适合并行计算和分布并行计算 的要求 不适合客户/服务器计算的要求。,线程的概念(1),操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序并发执行，以改善资源使用率和提高系统效率， 操作系统中再引入线程，则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使得并发粒度更细、并发性更好。,线程的概念(2),解决问题的基本思路： 把进程的两项功能“独立分配资源”与“被调度分派执行”分离开来， 进程作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切换； 线程作为系统调度和分

2、派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换，在这种指导思想下，产生了线程的概念。,2.4.2 多线程环境中的进程与线程,单线程进程的内存布局和运行,管理和执行相分离的进程模型,多线程进程的内存布局,多线程环境中进程的定义,进程是操作系统中进行保护和资源分配的基本单位。它具有： 一个虚拟地址空间，用来容纳进程的映像； 对处理器、其他(通信的)进程、文件和I/O资源等的存取保护机制。,多线程环境中的线程概念,线程是操作系统进程中能够独立执行的实体（控制流），是处理器调度和分派的基本单位。线程是进程的组成部分，每个进程内允许包含多个并发执行的实体（控制流），这就是多线程。,线程主要组成,线程执行状态（运行、就绪、）; 当线程不运行时,有一个受保护的线程上下文, 用于存储现场信息。所以，线程也可被看作是执行在进程内的一个独立的程序计数器; 一个执行堆栈 一个容纳局部变量的主存存储区。,线程具有以下特性,并行性： 共享性： 动态性： 结构性：,线程的内存布局,线程又称轻量进程,线程运行在进程的上下文中,并使用进程的资源和环境。 系统调度的基本单位是线程而不是进程,每当创建一个进程时，至少要同

3、时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。,线程的状态(1),线程状态有：运行、就绪和阻塞，线程的状态转换也类似于进程。 挂起状态对线程是没有意义的，如果进程挂起后被对换出主存，则它的所有线程因共享了进程的地址空间，也必须全部对换出去。,线程的状态(2),处于运行态的线程阻塞时，对某些线程实现机制，所在进程也转换为阻塞态，即使这个进程存在另一个处于就绪态的线程； 对另一些线程实现机制，如果存在另外一个处于就绪态的线程，则调度该线程处于运行状态，否则进程才转换为阻塞态。,线程管理和线程库(1),多线程技术利用线程包(库)提供线程原语集来支持多线程运行， 有的操作系统直接支持多线程，而有的操作系统不支持多线程。 线程包(库)可分成两种：用户空间中运行的线程包(库)和内核中运行的线程包(库)。,线程管理和线程库(2),线程包(库)提供一组API，支持应用程序创建、调度、撤销和管理线程的运行。基本线程控制原语： 孵化（Spawn）：又称创建线程。 封锁（Block）：又称阻塞线程。 活化（Unblock）：又称恢复线程。 结束（Finish）：又称撤销线程。,并发多线程程序设计的优点,

4、 快速线程切换。 减少（系统）管理开销。 (线程）通信易于实现。 (线程）通信易于实现。 并行程度提高。 节省内存空间。,多线程技术的应用(1),进程中线程多种组织方式： 第一种是调度员工作者模式 第二种是组模式 第三种是流水线模式,多线程技术的应用(2),前台和后台工作。 C/S应用模式。 异步处理。 加快执行速度。 设计用户接口。,2.4.3 线程的实现,从实现的角度看，线程可以分成: 用户级线程ULT(如Java ,Informix) 内核级线程KLT(如OS/2)。 混合式线程(如，Solaris)。,各种线程实现方法,1. 内核级线程(1),纯内核级线程设施中，线程管理的所有工作由操作系统内核做。内核专门提供KLT API，应用程序区不需要有线程管理代码。Windows NT 和 OS/2都是采用这种方法的例子。,内核级线程(2),线程执行中可通过内核创建线程原语来创建其他线程，这个应用的所有线程均在一个进程中获得支持。 内核要为整个进程及进程中的单个线程维护现场信息，应在内核中建立和维护PCB及TCB,内核的调度是在线程的基础上进行的。,内核级线程主要优点,多处理器上，内核

5、能同时调度同一进程中多个线程并行执行。 进程中的一个线程被阻塞了，内核能调度同一进程的其它线程占有处理器运行。 内核线程数据结构和堆栈很小，KLT切换快,内核自身也可用多线程技术实现，能提高系统的执行速度和效率。,内核级线程的主要缺点,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。,2 . 用户级线程,纯ULT设施中，线程管理工作由应用程序做，内核不知道线程的存在。任何应用程序均需通过线程库进行程序设计，再与线程库连接后运行来实现多线程。 线程库是一个ULT管理的例行程序包，实质上线程库是线程的运行支撑环境。,ULT线程“孵化”过程,进程开始只有一个线程，它可以孵化新线程，通过过程调用把控制权传送给“孵化”过程，由线程库为新线程创建一个TCB，并置为就绪态，按一定的调度算法把控制权传递给进程中处于就绪态的一个线程。当控制权传送到线程库时，当前线程的现场信息应被保存，而当线程库调度一个线程执行时，要恢复它的现场信息。,线程调度和进程调度间的关系(1),假设进程B正在执行线程3，可能

6、出现下列情况： 进程B的线程3发出一个封锁B的系统调用(如I/O操作)，通知内核进行I/O并将进程B置为等待状态，按照由线程库所维护的数据结构，进程B的线程3仍处在运行态。线程3并不实际地在一个处理器上运行，而是可理解为在线程库的运行态中。这时，进程B为等待态，线程3为线程库运行态。,线程调度和进程调度间的关系(2),一个时钟中断传送控制给内核，内核中止当前时间片用完的进程B，并把它放入就绪队列，切换到另一个就绪进程，此时，按由线程库维护的数据结构，进程B的线程3仍处于运行态。这时，进程B己处于就绪态，但线程为线程库运行态。 两种情况中，当内核切换控制权返回到进程B时，便恢复执行线程3。,ULT优点,线程切换不需要内核特权方式， 按应用特定需要来调度， ULT能运行在任何OS上，,ULT的缺点, 线程执行系统调用时，不仅该线程被阻塞，且进程内的所有线程会被阻塞。 纯ULT中，多线程应用不能利用多重处理的优点。内核在一段时间里，分配一个进程仅占用一个CPU，进程中仅有一个线程能执行。,克服上述问题的方法,第一种方法是用多进程并发程序设计代替多线程并发程序设计，这种方法事实上放弃了多线程带

7、来的所有优点。 第二种方法是采用jacketing技术解决阻塞线程的问题。,3 混合式线程,混合系统中，内核支持KLT多线程的建立、调度和管理，也提供线程库，允许应用程序建立、调度和管理ULT。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。 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。,2.4.4 实例研究：Solaris的进程与线程,Solaris中的进程与线程概念 进程（Process）： 用户级线程（User-Level Threads）： 轻量进程（Light Weight Process）： 内核级线程（Kernel-Level Threads）：,Solaris的线程实现(1),用户层和核心层，用户层在用户线程库中实现；核心层在操作系统内核中实现。 ULT是一个代表应用线程的数据结构，纯用户级概念，占用用户空间资源，对核心是透明的。ULT和KLT不一一对应，通过轻量级进程LWP来映射两者之间的联系。,Solaris的线程实现(2),进程可以设计为一个或多个LWP，一个LWP上又可以

8、开发多个ULT，LWP与ULT一样共享进程的资源。KLT和LWP是一一对应的，一个ULT要通过核心KLT和LWP二级调度后才真正占有处理器运行。,Solaris的线程实现(3),有了LWP，可在用户级实现ULT，每个进程可以创建几十个ULT，而又不占用核心资源。由于ULT共享用户空间，当LWP在一个进程的不同ULT间切换时，仅是数据结构的切换，其时间开销远低于两个KLT间的切换时间。,Solaris线程的使用(1),Solaris线程的使用(2),进程1是传统的单线程进程， 进程2是一个纯的ULT应用， 进程3是多线程与多LWP的对应， 进程4的线程与LWP是一对一地捆绑的， 进程5包括多ULT映射到多LWP上，以及ULT与LWP的一一捆绑，并且还有一个LWP捆在单个处理器上。,Solaris线程的使用(3),Solaris已经有进程、KLT和ULT，为什么还要引入LWP? 原因是各种应用需求,有些应用逻辑并行性程度高, 有些应用物理并行性要求高。 例1：窗口系统是典型的逻辑并行性程度高的应用。 例2：大规模并行计算是物理并行性要求高的应用。,Solaris中进程结构,LWP的数据结构

9、(1), 轻量进程标识符标识了轻量进程 优先数定义了轻量进程执行的优先数 信号掩码定义了内核能够接受的信号 寄存器域用于存放轻量进程让出处理器时的现场信息 轻量进程的内核栈包括每个调用层次的系统调用的参数、返回值和出错码,LWP的数据结构(2), 交替的信号堆栈 用户或用户和系统共同的虚时间警示 用户时间和系统处理器使用 资源使用和预定义数据 指向对应内核线程的指针 指向进程结构的指针,ULT的数据结构, 线程标识符标识了线程 优先数定义了线程执行的优先数 信号掩码定义了能够接受的信号 寄存器域用于存放线程让出处理器时的现场信息 堆栈用于存放线程运行数据 线程局部存储器用于存放线程局部数据,KLT的数据结构(1), 内核寄存器数据保存区 优先级和调度信息 KLT的队列指针和堆栈指针 相关LWP的指针及信息 进程数据结构,包括： 与进程相关的KLT 进程地址空间指针 用户权限表 信号处理程序清单 与用户执行有关信息,KLT的数据结构(2),Solaris支持实时类进程，内核是可抢占的，内核函数和过程全部用线程实现，Solaris的内核是KLT的集合。 KLT分两种，一种是负责执行一个指定的内核函数;另一种用来支持和运行LWP，KLT是独立被调度和分配到CPU上去执行。,Solaris的线程状态(1),Solaris的线程状态(2),考虑非捆绑线程(多个ULT共享LWP)，线程可能处于四个状态之一：可运行、活跃、睡眠和停止。 处在活跃状态的一个ULT是指目前分配到LWP上，并且在对应的内核线程KLT执行时，它被执行。出现事件会导致ULT离开活跃态，一个活跃的ULT正在执行，下面的事件可能发生：,Solaris的线程状态(3),同步： 挂起： 剥夺： 让位：,2.4.5 实例研究：Windows 2000/XP的进程与线程,三个层次执行对象： 作业是共享一组配额限制和安全性限制的进程的集合; 进程是相应于一个应用的实体，它拥有自己的资源，如主存，打开的文件； 线程是可被内核调度的执行

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