執(zhí)行線(thread)的進(jìn)一步探討

1、執(zhí)行線（Thread）的進(jìn)一步探討 在介紹處理元時(shí)，我們說明了執(zhí)行線的特點(diǎn)及它的一些應(yīng)用實(shí)例，在此處我們將進(jìn)一步探討執(zhí)行線的特性，並以Java為範(fàn)例，說明執(zhí)行線的狀態(tài)及排程方式。 Task1 Task 2 Task 3 User Level Thread Lightweight ProcessKernel Thread Kernel CPU圖1 Sun Solaris作業(yè)系統(tǒng)之使用者執(zhí)行線與核心執(zhí)行線介面 請參看圖1，這是我們在教科書上所談到的Sun Solaris作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)，使用者執(zhí)行線與核心執(zhí)行線之介面。由於多個(gè)使用者執(zhí)行線是由處理元所衍生出來，故當(dāng)它們要使用到系統(tǒng)資源時(shí)，必須透過系統(tǒng)呼叫

2、、中斷等方式，由作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)之處理元協(xié)助處理；因此處理元內(nèi)的使用者執(zhí)行線必須與系統(tǒng)內(nèi)的核心執(zhí)行線對應(yīng)。這種多元執(zhí)行線(Multithreads)的對應(yīng)方式在不同作業(yè)系統(tǒng)會有不同，大致上分為以下三類：1. 多個(gè)對應(yīng)一個(gè)（Many to One） 多個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線。你可以想像成一個(gè)處理元內(nèi)的所有使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線。早期的Sun Solaris作業(yè)系統(tǒng)採用此種對應(yīng)方式。2. 一個(gè)對應(yīng)一個(gè)（One To One） 每一個(gè)使用者執(zhí)行線均有一個(gè)核心執(zhí)行線對應(yīng)。Windows 、OS/2、Linux作業(yè)系統(tǒng)均為這種對應(yīng)方式。3. 多個(gè)對應(yīng)多個(gè)（Many to Many） 可以將一

3、個(gè)處理元內(nèi)某幾個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線，將另外幾個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)另一個(gè)核心執(zhí)行線。Sun Solaris作業(yè)系統(tǒng)便是採用這種對應(yīng)方式。請參看圖1，Task 1內(nèi)一個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線，另二個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)另一個(gè)核心執(zhí)行線；Task 2內(nèi)一個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線，另三個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)另一個(gè)核心執(zhí)行線，。 我們就使用者執(zhí)行線及核心執(zhí)行線在這三種不同對應(yīng)模組內(nèi)，所具備的特性分別說明如下：1. 多個(gè)對應(yīng)一個(gè) 當(dāng)處理元分配到中央處理器時(shí)間後，使用者執(zhí)行線排程器自行分配時(shí)間片段給所屬多個(gè)使用者執(zhí)行線，所以僅需輕微的環(huán)境切換代價(jià)，這是因?yàn)樽鳂I(yè)系統(tǒng)僅認(rèn)定有一個(gè)處理元佔(zhàn)有中央

4、處理器在執(zhí)行，它不知道處理元內(nèi)有使用者執(zhí)行線，也不知道處理元如何去作所屬執(zhí)行線之排程。 當(dāng)某一個(gè)使用者執(zhí)行線進(jìn)入懸置狀態(tài)，則所有此處理元內(nèi)的使用者執(zhí)行線均一起被懸置，這是因?yàn)樽鳂I(yè)系統(tǒng)認(rèn)為處理元懸置的關(guān)係。由於核心執(zhí)行線是個(gè)別排程，所以不會造成其他核心執(zhí)行線一起被懸置，而且核心執(zhí)行線會有環(huán)境切換的代價(jià)。2. 一個(gè)對應(yīng)一個(gè) 由於每個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線，從作業(yè)系統(tǒng)的角度，可以看到每個(gè)使用者執(zhí)行線，所以每個(gè)使用者執(zhí)行線均由中央處理器排程器排程，而用不著自行分配時(shí)間片段。當(dāng)某一個(gè)使用者執(zhí)行線懸置，其他使用者執(zhí)行線仍然可以繼續(xù)依排程工作。也由於作業(yè)系統(tǒng)直接控制使用者執(zhí)行線之排程，所以必須花費(fèi)較

5、高的環(huán)境切換代價(jià)，但是執(zhí)行線的環(huán)境及執(zhí)行線共用資源的特性仍然被使用到。3. 多個(gè)對應(yīng)多個(gè) 為了避免一個(gè)使用者執(zhí)行線懸置而造成此處理元內(nèi)所有使用者執(zhí)行線連帶被懸置，以及避免一個(gè)使用者執(zhí)行線對應(yīng)一個(gè)核心執(zhí)行線的代價(jià)太高，所以發(fā)展出多個(gè)使用者執(zhí)行線依分群組的方式來對應(yīng)核心執(zhí)行線。 Sun Solaris作業(yè)系統(tǒng)或Java虛擬機(jī)器便可以將一個(gè)處理元內(nèi)的使用者執(zhí)行線依需求組成不同群組，在Sun Solaris內(nèi)稱為輕量級處理元(Light Weight Process)。每個(gè)輕量級處理元對應(yīng)一個(gè)核心處理元，且輕量級處理元及核心執(zhí)行線由作業(yè)系統(tǒng)核心進(jìn)行排程。這個(gè)對應(yīng)方式綜合多個(gè)對應(yīng)一個(gè)及一個(gè)對應(yīng)一個(gè)的缺失

6、加以改進(jìn)，因此一個(gè)處理元可對應(yīng)多個(gè)輕量級處理元，且可對應(yīng)多個(gè)核心執(zhí)行線。當(dāng)某一個(gè)使用者執(zhí)行線懸置，則僅有與此執(zhí)行線同一個(gè)群組內(nèi)的其他使用者執(zhí)行線會被懸置，其他群組內(nèi)的使用者執(zhí)行線不會被懸置。 由於作業(yè)系統(tǒng)看到輕量級處理元，而看不到使用者執(zhí)行線，所以中央處理器時(shí)間分配給此輕量級處理元後，其內(nèi)的使用者執(zhí)行線排程器再將時(shí)間片段分配給此輕量級處理元內(nèi)的使用者執(zhí)行線。因此輕量級處理元內(nèi)部排程僅需輕微的環(huán)境切換，而輕量級處理元或核心執(zhí)行線間，則必須進(jìn)行環(huán)境切換。 雖然Java虛擬機(jī)器具有多個(gè)對應(yīng)多個(gè)的排程，而且也具有跨平臺的功能，但Java虛擬機(jī)器載入不同平臺後，則依據(jù)各平臺作業(yè)系統(tǒng)的不同，會有不同的對應(yīng)

7、方式，但是它的開發(fā)環(huán)境是一致的。 圖2為Java執(zhí)行線撰寫的範(fàn)例。new ( )用來衍生執(zhí)行線，start ( )呼叫該執(zhí)行線進(jìn)入排程，以便輪到中央處理器排程。圖中有個(gè)main ( )執(zhí)行線，它衍生worker1 ( )這個(gè)執(zhí)行線，之後兩個(gè)執(zhí)行線由執(zhí)行線程式庫內(nèi)的執(zhí)行線排程器來進(jìn)行排程。 Class worker1 extends thread public void run() system.out.println(“I am worker thread”); public class first public static void main(string args) worker1 ru

8、nner = new worker1(); runner.start(); system.out.println(“I am main thread”); 圖2 Java執(zhí)行線撰寫的範(fàn)例 使用者執(zhí)行線雖然不是由作業(yè)系統(tǒng)來進(jìn)行排程，但是仍然必須記錄各個(gè)執(zhí)行線的狀態(tài)，這些工作必須由執(zhí)行線程式庫內(nèi)的執(zhí)行線排程器來配合處理。圖3為Java執(zhí)行線的狀態(tài)(Thread States)。 Java執(zhí)行線的狀態(tài)分別有衍生(new)、可執(zhí)行(runnable)、懸置(blocked)及結(jié)束(dead)。1. 衍生狀態(tài) 當(dāng)程式以new ( )呼叫之後，被衍生的執(zhí)行線便進(jìn)入衍生狀態(tài)，衍生狀態(tài)僅是承認(rèn)有此執(zhí)行線，但此

9、執(zhí)行線尚無法進(jìn)入排程，必須以start ( )讓其進(jìn)入排程。2. 可執(zhí)行狀態(tài) 在衍生狀態(tài)之執(zhí)行線經(jīng)由start ( )呼叫之後，即進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)，此狀態(tài)就如同處理元之備妥狀態(tài)。在佇列內(nèi)排隊(duì)的執(zhí)行線會依執(zhí)行線排程器的排程，輪流使用中央處理器。由於Java的設(shè)計(jì)可以使用在多個(gè)中央處理器環(huán)境，所以同一時(shí)間可能有多個(gè)可執(zhí)行狀態(tài)的執(zhí)行線使用中央處理器。3. 懸置狀態(tài) 執(zhí)行線在懸置狀態(tài)與處理元在懸置狀態(tài)條件大致相同。當(dāng)執(zhí)行線進(jìn)行輸出/輸入、睡覺(sleep)、等待事件等，則進(jìn)入懸置狀態(tài)，在懸置狀態(tài)之執(zhí)行線不接受執(zhí)行線排程，只有在它等待之事件或輸出/輸入完成後，它才會再進(jìn)入可執(zhí)行狀態(tài)接受排程。4. 結(jié)束 執(zhí)

10、行線執(zhí)行完畢。 runnable start stop new sleep new suspend dead I/O resume blocked 圖3 Java執(zhí)行線的狀態(tài) 圖4為Java執(zhí)行線排程器以分時(shí)方式的排程範(fàn)例。基本上Java的排程是以優(yōu)先等級來處理，亦即高優(yōu)先等級的執(zhí)行線優(yōu)先佔(zhàn)有中央處理器；因此我們只要將執(zhí)行線排程器之優(yōu)先等級訂的高一點(diǎn)，這樣它便可以擁有中央處理器，以便分配時(shí)間片段給處理元內(nèi)的執(zhí)行線同儕。 我們假設(shè)一般的使用者執(zhí)行線的優(yōu)先等級為2，佔(zhàn)有中央處理器的使用者執(zhí)行線的優(yōu)先等級為4，而執(zhí)行線排程器之優(yōu)先等級為6，則分時(shí)的排程演算法為：1. 執(zhí)行線排程器有較高優(yōu)先等級，它佔(zhàn)

11、有中央處理器執(zhí)行。2. 執(zhí)行線排程器由可執(zhí)行狀態(tài)佇列內(nèi)選取一個(gè)使用者執(zhí)行線，將其優(yōu)先等級設(shè)為4。3. 執(zhí)行線排程器設(shè)定一段睡覺時(shí)間，並進(jìn)入懸置狀態(tài)睡覺。4. 擁有優(yōu)先等級4的使用者執(zhí)行器佔(zhàn)有中央處理器執(zhí)行。5. 經(jīng)過一段時(shí)間，執(zhí)行線排程器睡醒，並佔(zhàn)有中央處理器。6. 執(zhí)行線排程器將原使用者執(zhí)行線之優(yōu)先等級由4降為2。7. 重覆執(zhí)行步驟2至步驟6，直到安排給此處理元之時(shí)間片段用罄。 Public class scheduler extends thread : private void schedulersleep() try thread.sleep(timeslice); catch(interruptedexception e) public void run() thread current; this.setpriority(6); while (true) current =(thread)queue.getnext(); if (current !=