計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（第二版）課件：線程機(jī)制

線程機(jī)制線程基本概念線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制Linux線程機(jī)制（自學(xué)）3.8線程機(jī)制3.8.1線程基本概念基于同數(shù)據(jù)區(qū)的同時(shí)多請(qǐng)求問(wèn)題的進(jìn)程解決思路什么是線程？線程擁有哪些資源？線程與進(jìn)程的區(qū)別4.線程狀態(tài)設(shè)置5.線程控制：線程創(chuàng)建、終止、阻塞、喚醒6.線程同步7.線程調(diào)度線程通信

多線程應(yīng)用依據(jù)進(jìn)程知識(shí)學(xué)習(xí)哪些場(chǎng)合適合使用多線程解決問(wèn)題？有什么好處？哪些場(chǎng)合又不適合多線程機(jī)制呢？3.8線程機(jī)制1.線程的引入

“基于同數(shù)據(jù)區(qū)的同時(shí)多請(qǐng)求”問(wèn)題的解決思路：例：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器需要同時(shí)處理來(lái)自多個(gè)客戶端的數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，這些請(qǐng)求都是針對(duì)同一數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)的。

基于進(jìn)程的解決思路：（1）設(shè)置一個(gè)進(jìn)程順序處理所有請(qǐng)求；（2）設(shè)置多個(gè)進(jìn)程分別處理多個(gè)請(qǐng)求；3.8.1線程基本概念進(jìn)程同步復(fù)雜；系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大。存在的問(wèn)題進(jìn)程的兩個(gè)屬性：（1）進(jìn)程是系統(tǒng)擁有資源的獨(dú)立單位；（2）進(jìn)程是獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位；3.8線程機(jī)制3.8.1線程基本概念1.線程的引入線程擁有的資源：3.8線程機(jī)制3.8.1線程基本概念2.什么是線程線程是隸屬于進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體，是比進(jìn)程“更小”的一個(gè)運(yùn)行單位。

一個(gè)線程ID

一組寄存器堆棧：內(nèi)核棧、用戶棧一個(gè)私有存儲(chǔ)區(qū)線程控制塊TCB進(jìn)程3.8線程機(jī)制3.8.1線程基本概念3.線程與進(jìn)程的比較

調(diào)度：線程是CPU的調(diào)度單位

并發(fā)性：進(jìn)程間可并發(fā)執(zhí)行；線程間也可并發(fā)執(zhí)行

擁有資源：進(jìn)程是資源分配和擁有單位，線程基本不擁有資

源，同一進(jìn)程中所有線程共享進(jìn)程所擁有的資源

系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)：線程開(kāi)銷(xiāo)＜進(jìn)程開(kāi)銷(xiāo)

創(chuàng)建及刪除線程的開(kāi)銷(xiāo)＜進(jìn)程

線程切換開(kāi)銷(xiāo)＜進(jìn)程線程與進(jìn)程有哪些不同呢？4.線程管理

（1）就緒態(tài)（2）運(yùn)行態(tài)（3）阻塞態(tài)（等待態(tài)）（4）終止態(tài)Windows2000/xp的線程狀態(tài)：（1）初始化狀態(tài)（2）就緒狀態(tài)

（3）備用狀態(tài)（4）運(yùn)行狀態(tài)（5）等待狀態(tài)（6）轉(zhuǎn)換狀態(tài)（7）終止?fàn)顟B(tài)

3.8線程機(jī)制3.8.1線程基本概念

線程狀態(tài)線程創(chuàng)建線程終止線程阻塞線程喚醒4.線程管理3.8線程機(jī)制3.8.1線程基本概念

線程控制

線程同步

線程調(diào)度

線程通信3.8線程機(jī)制3.8.2線程的實(shí)現(xiàn)機(jī)制用戶級(jí)線程內(nèi)核級(jí)線程兩者相結(jié)合的組合方式1.用戶級(jí)線程（ULT）完全由用戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的線程機(jī)制。

POSIXPthreads；MachC-threads；Solaristhreads通信服務(wù)器線程管理程序

OS管理線程通信服務(wù)器進(jìn)程3.8.2.線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)（線程庫(kù)）：提供多線程應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。由一組管理和控制線程的函數(shù)集合組成。它們作為進(jìn)程代碼的一部分，駐留在進(jìn)程的用戶空間。運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的功能：1.用戶級(jí)線程（ULT）3.8.2.線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制

線程控制；

線程調(diào)度；

線程同步；

線程通信；Linux的Posix線程機(jī)制應(yīng)用舉例：用戶級(jí)線程的優(yōu)點(diǎn)：

線程的調(diào)度及切換開(kāi)銷(xiāo)小；

線程調(diào)度由應(yīng)用程序完成，可以選擇最適當(dāng)?shù)乃惴?

可運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上。用戶級(jí)線程的缺點(diǎn)：

線程調(diào)用阻塞型系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將導(dǎo)致所屬進(jìn)程阻塞；

核心只將處理器分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程不能同時(shí)

運(yùn)行于多個(gè)處理器上；1.用戶級(jí)線程（ULT）：3.8.2線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制2.內(nèi)核級(jí)線程（KLT）完全由OS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的線程機(jī)制。

Windows2000/xpSolarisDigitalUNIX

3.8.2線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制內(nèi)核級(jí)線程優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)多處理器，核心可以同時(shí)調(diào)度同一進(jìn)程的多個(gè)線程；（2）阻塞是在線程一級(jí)完成；（3）核心例程是多線程的；內(nèi)核級(jí)線程缺點(diǎn)：同一進(jìn)程內(nèi)的線程切換調(diào)用內(nèi)核，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大。用戶線程：運(yùn)行在用戶態(tài)內(nèi)核線程：運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行狀態(tài)用戶級(jí)線程：線程庫(kù)內(nèi)核級(jí)線程：操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)及管理3.組合方式內(nèi)核支持內(nèi)核級(jí)線程，線程庫(kù)支持用戶級(jí)線程，如Solaris3.8.2線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制優(yōu)點(diǎn)：線程管理開(kāi)銷(xiāo)小，效率高；

多對(duì)一模型缺點(diǎn)：線程系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將導(dǎo)致所屬進(jìn)程阻塞；核心只將處理器分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程中的兩個(gè)線程不能同時(shí)

運(yùn)行于兩個(gè)處理器上；把多個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程上3.8.2線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制缺點(diǎn)：線程管理開(kāi)銷(xiāo)大；

一對(duì)一模型優(yōu)點(diǎn)：線程系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，僅阻塞線程能獲得多處理器的好處把一個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程上。3.組合方式內(nèi)核支持內(nèi)核級(jí)線程，線程庫(kù)支持用戶級(jí)線程，如Solaris3.8.2線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制

多對(duì)多模型優(yōu)點(diǎn)：線程系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，僅阻塞線程能獲得多處理器的好處線程管理開(kāi)銷(xiāo)不至于增加太大把多個(gè)用戶級(jí)線程映射到較少或同樣數(shù)量的內(nèi)核級(jí)線程上。3.組合方式內(nèi)核支持內(nèi)核級(jí)線程，線程庫(kù)支持用戶級(jí)線程，如Solaris3.8線程機(jī)制線程的定義、擁有的資源線程與進(jìn)程的區(qū)別線程控制線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制：用戶級(jí)線程、內(nèi)核級(jí)線程、組合模型本節(jié)知識(shí)小結(jié)哪個(gè)小組來(lái)總結(jié)下？3.8線程機(jī)制3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制創(chuàng)建線程clone()Pthread線程庫(kù)介紹Linux內(nèi)核線程3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制1.創(chuàng)建線程clone()#include<sched.h>intclone(int(*fn)(void*),void*child_stack,intflags,void*arg);參數(shù)說(shuō)明：（1）fn：新線（進(jìn)）程即將要執(zhí)行的函數(shù)。（2）child_stack：為新線程分配的內(nèi)核堆棧空間的起始地址。（3）arg：傳給新線程要執(zhí)行的函數(shù)fn的參數(shù)。（4）flags：創(chuàng)建標(biāo)志，描述新線（進(jìn)）程將從父進(jìn)程繼承哪些資源1.創(chuàng)建線程clone()flags：創(chuàng)建標(biāo)志參數(shù)說(shuō)明：標(biāo)志名稱說(shuō)明CLONE_VM

父子進(jìn)程運(yùn)行于相同的內(nèi)存空間：共享內(nèi)存描述符和所有的頁(yè)表CLONE_FS

父子進(jìn)程共享相同的文件系統(tǒng)，包括根目錄、當(dāng)前目錄、權(quán)限掩碼umaskCLONE_FILES父子進(jìn)程共享打開(kāi)文件表CLONE_SIGHAND

父子進(jìn)程共享相同的信號(hào)處理（signalhandler）表、阻塞信號(hào)表和掛起信號(hào)表CLONE_PARENT新進(jìn)程與創(chuàng)建它的進(jìn)程擁有同一個(gè)父進(jìn)程，即新進(jìn)程與創(chuàng)建它的進(jìn)程是兄弟進(jìn)程CLONE_VFORK父進(jìn)程被掛起，直至子進(jìn)程終止，vfork()中設(shè)置CLONE_THREAD父子進(jìn)程屬于同一個(gè)線程組，設(shè)置該標(biāo)志時(shí)，必須同時(shí)設(shè)置CLONE_SIGHANDCLONE_SETTLS為新線程創(chuàng)建局部存儲(chǔ)段（TLS），該段由tls參數(shù)所指向的結(jié)構(gòu)描述3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制2.Linux/openEuler的Pthread線程庫(kù)intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*routines)(void*),void*arg)功能：創(chuàng)建新線程，屬性為attr，將運(yùn)行的函數(shù)為routines(arg)intpthread_join(pthread_tthread,void**status)功能：調(diào)用者等待指定線程結(jié)束，并將結(jié)束狀態(tài)寫(xiě)入status中voidpthread_exit(void*retval)功能：終止調(diào)用線程相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用：3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制互斥鎖，條件變量，Posix信號(hào)量Pthread線程庫(kù)同步機(jī)制互斥鎖實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程對(duì)臨界資源的互斥使用

創(chuàng)建鎖：intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,constpthread_mutexattr_t*attr)

初始化鎖的屬性：pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t*mattr)3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制2.Linux/openEuler的Pthread線程庫(kù)Pthread線程庫(kù)同步機(jī)制互斥鎖實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程對(duì)臨界資源的互斥使用

加鎖操作：intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex)intpthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t*mutex)

開(kāi)鎖操作：intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex)

銷(xiāo)毀鎖：intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex)3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制2.Linux/openEuler的Pthread線程庫(kù)條件變量創(chuàng)建條件變量：int

pthread_cond_init(pthread_cond_t

*cond,pthread_condattr_t

*cond_attr)等待條件成立：int

pthread_cond_wait(pthread_cond_t

*cond,pthread_mutex_t

*mutex);intpthread_cond_timedwait(pthread_cond_t*restrictcond,pthread_mutex_t*restrictmutex,conststructtimespec*restricttimeout)條件變量代表線程繼續(xù)運(yùn)行所需要等待的某種條件，它是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制。Pthread線程庫(kù)同步機(jī)制2.Linux/openEuler的Pthread線程庫(kù)通知線程條件已滿足：intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);

intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond)銷(xiāo)毀條件變量：intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond)3.Linux內(nèi)核線程3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制3.Linux內(nèi)核線程structtask_struct*kthread_create(int(*threadfn)(void*data),void*data,constchar*namefmt,...)功能：創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程，但處于不可運(yùn)行狀態(tài)，需調(diào)用wake_up_process()顯式地喚醒它#definekthread_run(threadfn,data,namefmt,...)

創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程并讓它能運(yùn)行intkthread_stop(structtask_struct*thread);給指定線程發(fā)出結(jié)束運(yùn)行信號(hào)，并一直等待指定線程的結(jié)束3.8.3Linux/openEuler線程機(jī)制3.9本章小結(jié)1.進(jìn)程基本概念

進(jìn)程定義和特征進(jìn)程映像進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程控制2.進(jìn)程互斥與同步

進(jìn)程互斥的概念臨界資源及臨界區(qū)概念進(jìn)程同步機(jī)制應(yīng)遵循的4個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)程同步的概念進(jìn)程同步機(jī)制：禁止中斷、專(zhuān)用機(jī)器指令、軟件方法、鎖機(jī)制、信號(hào)量機(jī)制、管程機(jī)制經(jīng)典進(jìn)程同步問(wèn)題：

生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題，哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題，讀者-寫(xiě)者問(wèn)題，理發(fā)師問(wèn)題3.進(jìn)程調(diào)度

調(diào)度的層次

高級(jí)調(diào)度，中級(jí)調(diào)度，低級(jí)調(diào)度

選擇調(diào)度算法要考慮的因素

評(píng)價(jià)調(diào)度性能的指