線程的概念及其實現(xiàn)

1、2.7 2.7 線程的概念及其實現(xiàn)線程的概念及其實現(xiàn)2.7.1 2.7.1 線程的引入線程的引入 如果說，在操作系統(tǒng)中引入進程的目的，是為了使多個程序并發(fā)執(zhí)行，以改善資源利用率及提高系統(tǒng)的吞吐量；那么，在操作系統(tǒng)中再引入線程則是為了減少程序并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。 進程的兩個基本屬性： 進程是一個擁有資源的獨立單位；進程是一個擁有資源的獨立單位； 進程同時又是一個獨立調(diào)度和分配的基進程同時又是一個獨立調(diào)度和分配的基本單位。本單位。 然而為使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)還必須進行以下的一系列操作。 創(chuàng)建進程。創(chuàng)建進程。系統(tǒng)在創(chuàng)建進程時，必須為之分配其所必需的、除cpu以外

2、的所有資源。如內(nèi)存空間、i/o設(shè)備以及建立相應的pcb。 撤消進程。撤消進程。系統(tǒng)在撤消進程時，又必須先對這些資源進行回收操作，然后再撤消pcb。 進程切換。進程切換。在對進程進行切換時，由于要保留當前進程的cpu環(huán)境和設(shè)置新選中進程的cpu環(huán)境，為此須花費許多cpu時間。2.7.2 2.7.2 進程與線程的關(guān)系進程與線程的關(guān)系 線程具有許多傳統(tǒng)進程所具有的特征，故又稱為輕型進程(light-weight process)或進程元；而把傳統(tǒng)的進程稱為重型進程(heavy-weight process)，它相當于只有一個線程的任務。在引入了線程的操作系統(tǒng)中，通常一個進程都有若干個線程，至少需要有

3、一個線程。下面，我們從調(diào)度、并發(fā)性、系統(tǒng)開銷、擁有資源等方面，來比較線程與進程。1. 1. 調(diào)度調(diào)度 在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，擁有資源的基本單位和獨立調(diào)度的基本單位都是進程。而在引入線程的操作系統(tǒng)中，則把線程作為調(diào)度和分配的基本單位，而把進程作為擁有資源的基本單位，使傳統(tǒng)進程的兩個屬性分開，線程便能輕裝運行，從而可顯著地提高系統(tǒng)的并發(fā)程度。在同一進程中，線程的切換不會引起進程的切換，在由一個進程中的線程切換到另一個進程中的線程時，將會引起進程的切換。2. 2. 并發(fā)性并發(fā)性 在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個進程中的多個線程之間，亦可并發(fā)執(zhí)行，因而使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)

4、性，從而能更有效地使用系統(tǒng)資源和提高系統(tǒng)吞吐量。例如，在一個未引入線程的單cpu操作系統(tǒng)中，若僅設(shè)置一個文件服務進程，當它由于某種原因被阻塞時，便沒有其它的文件服務進程來提供服務。在引入了線程的操作系統(tǒng)中，可以在一個文件服務進程中，設(shè)置多個服務線程，當?shù)谝粋€線程等待時，文件服務進程中的第二個線程可以繼續(xù)運行；當?shù)诙€線程阻塞時，第三個線程可以繼續(xù)執(zhí)行，依此類推，從而顯著地提高了文件服務的質(zhì)量以及系統(tǒng)吞吐量。3. 3. 擁有資源擁有資源 不論是傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)，還是設(shè)有線程的操作系統(tǒng)，進程都是擁有資源的一個獨立單位，它可以擁有自己的資源。一般地說，線程自己不擁有系統(tǒng)資源(只有一些必不可少的資源)，

5、但它可以訪問其隸屬進程的資源。亦即，個進程的代碼段、數(shù)據(jù)段以及系統(tǒng)資源，如已打開的文件、i/o設(shè)備等，可供同一進程的所有線程共享。4. 4. 系統(tǒng)開銷系統(tǒng)開銷 由于在創(chuàng)建或撤消進程時，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內(nèi)存空間、i/o設(shè)備等。因此，操作系統(tǒng)所付出的開銷將顯著地大于在創(chuàng)建或撤消線程時的開銷。類似地，在進行進程切換時，涉及到當前進程整個cpu環(huán)境的保存以及新被調(diào)度運行的進程的cpu環(huán)境的設(shè)置。而線程切換只需保存和設(shè)置少量寄存器的內(nèi)容，并不涉及存儲器管理方面的操作。可見，進程切換的開銷也遠大于線程切換的開銷。此外，由于同一進程中的多個線程具有相同的地址空間，致使它們之間的同步和通信的實現(xiàn)

6、，也變得比較容易。在有的系統(tǒng)中，線程的切換、同步和通信都無需操作系統(tǒng)內(nèi)核的干預。2.7.3 2.7.3 線程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換 線程既然是進程中的一個執(zhí)行體，是系統(tǒng)進行調(diào)度的獨立單位，它就是一個動態(tài)的過程，因此，也就有生命周期，即由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，由撤銷而消亡。在線程的生命周期中，它總是從一種狀態(tài)變遷到另一種狀態(tài)。與進程類似，在不同的操作系統(tǒng)中，線程的狀態(tài)有所不同，下面給出在windows 2000/xp中的線程及其轉(zhuǎn)換圖，如圖2.17。初始化初始化備用備用終止終止就緒就緒運行運行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換等待等待創(chuàng)建和初始化創(chuàng)建和初始化線程對象線程對象重新初始化重新初始化放入就緒隊列放入就

7、緒隊列選擇選擇執(zhí)行執(zhí)行被搶先被搶先搶先或時搶先或時間片結(jié)束間片結(jié)束執(zhí)行完成執(zhí)行完成描述表描述表切換切換等待完成等待完成等待對象等待對象句柄句柄換出換出內(nèi)核內(nèi)核堆棧堆棧 換入換入 內(nèi)核內(nèi)核堆棧堆棧圖圖2.17 在在windows 2000/xp中的線中的線程及其轉(zhuǎn)換圖程及其轉(zhuǎn)換圖2.7.4 2.7.4 線程調(diào)度線程調(diào)度 線程調(diào)度與進程調(diào)度類似，原則上講，高優(yōu)先級的線程比低優(yōu)先級的線程有更多的運行機會，當?shù)蛢?yōu)先級的線程在運行時，被喚醒的或結(jié)束i/o等待的高優(yōu)先級線程立即搶占cpu并開始運行，如果線程具有相同的優(yōu)先級，則通過輪轉(zhuǎn)來搶占cpu資源。在windows 2000/xp中，采用的是基于優(yōu)先級的搶占式多cpu調(diào)度策略。2.7.5 2.7.5 線程通信線程通信1. 1. 互斥鎖互斥鎖(mutex) (mutex) 2. 2. 條件變量條件變量3. 3. 信號量機制信號量機制 私用信號量私用信號量(private semaphore)(private semaphore)。 公用信號量公用信號量(public semaphore)(public semaphore)。2.7.6 2.7.6 多線程應用舉例多線程應用舉例 下面以客戶/服務器應用模式中服務器程序設(shè)計為例，來說明多線程技術(shù)的應用。 下面是