操作系統(tǒng) 國家課程配套教材 羅宇 文艷軍 8.1線程與用戶級線程實現(xiàn)新

1、第十八講 線程概念，用戶級線程實現(xiàn)目的與要求：掌握線程概念,線程與進(jìn)程區(qū)別及用戶級線程的實現(xiàn).重點(diǎn)與難點(diǎn)：線程如何從原進(jìn)程概念中剝離出來,線程控制塊,線程狀態(tài).用戶級線程實現(xiàn)方法及優(yōu)缺點(diǎn).作業(yè)：2，78/20/20221線程的引入傳統(tǒng)進(jìn)程既是除了處理機(jī)以外的資源分配單位如內(nèi)存占用單位又是執(zhí)行單位。隨著共享內(nèi)存多外理機(jī)的開展，為了支持進(jìn)程內(nèi)多道程序設(shè)計而引入線程。8.1.1. 對稱多處理對稱多處理機(jī)指共享內(nèi)存且多個處理機(jī)都可響應(yīng)中斷且可以運(yùn)行用戶和核心程序的多處理機(jī)系統(tǒng)。第八章 并行與分布式操作系統(tǒng) 81并行操作系統(tǒng) 8/20/20222處理機(jī)Cache處理機(jī)Cache處理機(jī)Cache.主存總線

2、適配器I/O總線系統(tǒng)總線打印機(jī)硬盤對稱多處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8/20/20223新結(jié)構(gòu)對操作系統(tǒng)的要求：多任務(wù)并行支持，希望同一進(jìn)程的程序可同時在多CPU上運(yùn)行，同時還共享進(jìn)程存儲空間。同步支持，當(dāng)運(yùn)行在不同CPU上的程序訪問共享數(shù)據(jù)時要有利用硬件支持的同步手段(如：Test_and_set指令。每個CPU都應(yīng)該能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)調(diào)度程序自行調(diào)度。多CPU cache一致性的要求(全部由硬件實現(xiàn)或由硬件和操作系統(tǒng)合作實現(xiàn))。8/20/20224 線程概念將原進(jìn)程的PCB內(nèi)容分成兩局部。描述進(jìn)程資源，空間的局部。描述執(zhí)行現(xiàn)場，狀態(tài)及調(diào)度的局部。將第二局部內(nèi)容作為線程描述表的內(nèi)容且進(jìn)程內(nèi)允許多個線程存在

3、。8/20/20225一.進(jìn)程與線程區(qū)別新的進(jìn)程被定義為：資源分配單位。線程定義為：CPU分配單位執(zhí)行單位。新進(jìn)程描述：一個獨(dú)立的進(jìn)程空間，可裝入進(jìn)程映像。一個獨(dú)立的進(jìn)程關(guān)聯(lián)的執(zhí)行文件。進(jìn)程所用系統(tǒng)其它資源(如設(shè)備、文件等。一個或多個線程。 進(jìn)程在創(chuàng)立時一般同時創(chuàng)立好第一個線程，其它線程按需要由用戶程序請求創(chuàng)立。8/20/20226線程TCB描述：線程標(biāo)識信息；狀態(tài)和調(diào)度信息；現(xiàn)場信息組織成棧幀;線程私有存儲區(qū)；指針指向PCB。8/20/20227傳統(tǒng)進(jìn)程與多線程進(jìn)程比較PCB用戶棧用戶空間描述核心棧a.傳統(tǒng)進(jìn)程模型用戶棧核心棧用戶棧核心棧用戶空間描述PCBTCBTCB.b.多線程進(jìn)程模型8/

4、20/20228二.線程狀態(tài)變化 進(jìn)程產(chǎn)生時同時產(chǎn)生第一個線程，其它線程在以后由任一線程請求創(chuàng)立。 線程創(chuàng)立后運(yùn)行過程中三個主要狀態(tài)是：運(yùn)行、就緒、阻塞。8/20/20229運(yùn)行就緒結(jié)束阻塞結(jié)束被調(diào)度時間片完或被剝奪等待事件事件發(fā)生重新初始化創(chuàng)立 原進(jìn)程的運(yùn)行、就緒、阻塞狀態(tài)已變?yōu)獒槍€程，而原掛起狀態(tài)反映進(jìn)程映像在不在內(nèi)存故還是進(jìn)程的狀態(tài)。8/20/202210三.多線程應(yīng)用多線程可以方便實現(xiàn)CPU之間的并行，CPU與外設(shè)間的并行。多線程與多進(jìn)程比，多線程天然地共享空間，而多進(jìn)程要通過如shmget系統(tǒng)調(diào)用才可共享局部用戶空間。舉例：有兩個任務(wù)：任務(wù)1和任務(wù)2，把它們組織到單進(jìn)程中，和多線程

5、中運(yùn)行的時間花費(fèi)比較。8/20/202211任務(wù)1等I/O任務(wù)1任務(wù)2等I/O任務(wù)2a.單線程進(jìn)程單CPU執(zhí)行任務(wù)1任務(wù)1等I/O任務(wù)2任務(wù)2等I/O線程1處理機(jī)1線程2處理機(jī)2b.多線程進(jìn)程多CPU執(zhí)行線程1線程2CPU切換任務(wù)1等I/O等CPU任務(wù)1任務(wù)2等I/O任務(wù)2c.多線程進(jìn)程單CPU執(zhí)行等CPU8/20/202212四、線程間通訊與同步。線程間通過共享空間通訊。可以通過同步原語(系統(tǒng)調(diào)用/或利用硬同步指令的同步函數(shù))，實現(xiàn)互斥與同步。8/20/202213五多線程編程接口舉例UNIX的pthread庫所提供的有關(guān)線程函數(shù)。1創(chuàng)立線程 int pthread_create (pthr

6、ead_t tid, const pthread_attr_t attr, void (func)(void ), void arg)； 2 等待某線程結(jié)束int pthread_join(pthread_t tid,void status); tid是我們必須要等待線程的tid， 3 獲得正在執(zhí)行線程的IDpthread_t pthread_self(void); 8/20/2022144. 將線程變?yōu)楠?dú)立狀態(tài)int pthread_detach(pthread_t tid); 線程或者是可集合的joinable或者是獨(dú)立的detached。當(dāng)可集合的線程終止時，其線程ID和退出狀態(tài)將保存，

7、直到另外一個線程調(diào)用pthread_join。獨(dú)立的線程終止時，所有的資源都釋放，我們不能等待它終止。如果一個線程需要知道另一個線程什么時候終止，最好保存第二個線程的可集合性。 5 線程結(jié)束void pthread_exit(void status); 6加鎖/解鎖int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)這兩個函數(shù)用于對臨界區(qū)的加鎖和解鎖。以保證對共享數(shù)據(jù)的互斥操作。Mutex是指向鎖結(jié)構(gòu)的地址。8/20/2022158.1.3. 線程實現(xiàn) 兩種典

8、型實現(xiàn)多線程方法：多線庫方法和核心方法。一多線庫實現(xiàn)的用戶級線程 不改變操作系統(tǒng)內(nèi)核，開發(fā)一個多線程函數(shù)庫,這是一種非操作系統(tǒng)內(nèi)核的實現(xiàn)方法,是一種過渡的方法。 由多線程庫提供線程創(chuàng)立，結(jié)束，同步等函數(shù)，進(jìn)程主程序作為主線程運(yùn)行，以后可調(diào)用多線程庫的創(chuàng)立線程函數(shù)創(chuàng)立用戶級線程。 操作系統(tǒng)只看到進(jìn)程，只做進(jìn)程調(diào)度。由多線庫調(diào)度用戶級線程分時地在進(jìn)程中運(yùn)行。 8/20/202216多線庫P多線庫P進(jìn)程1進(jìn)程2進(jìn)程調(diào)度CPU由傳統(tǒng)進(jìn)程支持實現(xiàn)用戶級多線程示意圖 8/20/202217創(chuàng)立用戶級線程函數(shù)處理過程:接收新線程執(zhí)行函數(shù)及初始變量值;在進(jìn)程用戶空間中分配TCB表,棧區(qū)和私有存儲區(qū)；初始化上述

9、表格；將TCB表中的線程狀態(tài)改為就緒；運(yùn)行線程調(diào)度程序；返回到被調(diào)度線程的現(xiàn)場運(yùn)行。* 8/20/202218進(jìn)程調(diào)度與多線庫線程調(diào)度比照：用戶程序調(diào)用任一多線程庫函數(shù)，在函數(shù)處理結(jié)束時都去運(yùn)行線程調(diào)度，調(diào)用返回時可能返回到另一線程。用戶程序在自陷或被中斷進(jìn)入內(nèi)核，在內(nèi)核處理結(jié)束時都去運(yùn)行進(jìn)程調(diào)度程序。用戶級線程與進(jìn)程的關(guān)系：多線程分時地在進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行，多線庫線程調(diào)度是選取線程占用進(jìn)程，內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度是選取進(jìn)程占用CPU。*8/20/202219用戶級線程的優(yōu)勢：線程管理開銷小;無需修改操作系統(tǒng)核心；缺點(diǎn)：不能做到同一進(jìn)程內(nèi)線程在多CPU并行；線程因I/0等原因阻塞于內(nèi)核時，多線庫調(diào)度器不知道。8/20/202220在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)： 更多課程配套課件資源請訪問在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)8/20/2022218/20/2022228/20/2022238/20/2022248/20/2022258/20/202226饞死8/20/2022278/20/2022288/20/2022298/20/2022308/20/2