操作系统精髓与设计原理Chap.pptx

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1、4.1 Why thread is introduced?ProcessResource ownership-process is allocated a virtual address space to hold the process imageScheduling/execution-follows an execution path that may be interleaved with other processes第1页/共52页单线程进程单线程进程(模型模型)用户地用户地址空间址空间进程进程控制块控制块用户用户堆栈堆栈内核内核堆栈堆栈进进程程进程控制块进程控制块用户地址空间用户

2、地址空间用户栈用户栈内核栈内核栈管理者管理者执行序列执行序列第2页/共52页实例考察实例考察文件服务器的例子文件服务器的例子,当它接受一个文件服务请求后当它接受一个文件服务请求后,由于等待磁盘传输而经常由于等待磁盘传输而经常被阻塞，假如不阻塞可继续接受新的文件服务请求并进行处理，则文件服务被阻塞，假如不阻塞可继续接受新的文件服务请求并进行处理，则文件服务器的性能和效率便可以提高。处理这些请求时要共享一个磁盘缓冲区，程序器的性能和效率便可以提高。处理这些请求时要共享一个磁盘缓冲区，程序和数据要处于同一个地址空间，和数据要处于同一个地址空间，基于同数据区的同时多请求服务基于同数据区的同时多请求服务

3、，单线程结，单线程结构的进程难以达到这一目标构的进程难以达到这一目标,需要寻求新概念、提出新机制。需要寻求新概念、提出新机制。浏览网页时，在载入图像时，将阻塞，无法响应用户的请求浏览网页时，在载入图像时，将阻塞，无法响应用户的请求随着并行技术、网络技术和软件设计技术的发展，给并发程序设计效率带来随着并行技术、网络技术和软件设计技术的发展，给并发程序设计效率带来了一系列新的问题。了一系列新的问题。第3页/共52页进程的局限性进程的局限性进程切换的开销大，频繁的进程调度将耗费大进程切换的开销大，频繁的进程调度将耗费大量处理器时间。量处理器时间。进程之间通信的代价大，每次通信均要涉及通进程之间通信的

4、代价大，每次通信均要涉及通信进程之间以及通信进程与操作系统之间的切信进程之间以及通信进程与操作系统之间的切换。换。进程之间的并发性粒度较粗，并发度不高，过进程之间的并发性粒度较粗，并发度不高，过多的进程切换和通信使得细粒度的并发得不偿多的进程切换和通信使得细粒度的并发得不偿失。失。不适合并行计算和分布并行计算的要求。对于不适合并行计算和分布并行计算的要求。对于多处理器和分布式的计算环境来说，进程之间多处理器和分布式的计算环境来说，进程之间大量频繁的通信和切换，会大大降低并行度。大量频繁的通信和切换，会大大降低并行度。不适合客户不适合客户/服务器计算的要求。对于服务器计算的要求。对于C/SC/S

5、结构结构来说，那些需要频繁输入输出并同时大量计算来说，那些需要频繁输入输出并同时大量计算的服务器进程的服务器进程(如数据库服务器、事务监督程序如数据库服务器、事务监督程序)很难体现效率。很难体现效率。第4页/共52页操操作作系系统统中中引引入入进进程程的的目目的的是是为为了了使使多多个个程程序序并并发发执执行行，以以改改善善资源使用率和提高系统效率，资源使用率和提高系统效率，操操作作系系统统中中再再引引入入线线程程，则则是是为为了了减减少少程程序序并并发发执执行行时时所所付付出出的的时时空空开开销销，使使得得并并发发粒粒度度更更细细、并发性更好。并发性更好。第5页/共52页解决问题的基本思路：

6、解决问题的基本思路：把进程的两项功能把进程的两项功能“独立分配资源独立分配资源”与与“被调度分派执行被调度分派执行”分离开来，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；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派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换，在线程作为系统调度和分派的基本单位，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。这种指导思想下，产生了线程的概念。第6页/共52页传统操作系统一般只支持单线程进程，如传统操作系统一般只支持单线程进程，如MS-MS-DOSDOS支持单用户进程，进程是单线程的；

7、支持单用户进程，进程是单线程的；传统的传统的UnixUnix支持多用户进程，每个进程也是单支持多用户进程，每个进程也是单线程的。线程的。目前，很多著名的操作系统都支持多线程（结目前，很多著名的操作系统都支持多线程（结构）进程，如：构）进程，如：Solaris Solaris、Mach Mach、SVR4SVR4、OS/390OS/390、OS/2OS/2、WindowNTWindowNT、ChorusChorus等；等；JAVAJAVA的运行引擎则是单进程多线程的例子。的运行引擎则是单进程多线程的例子。许多计算机公司都推出了自己的线程接口规范，许多计算机公司都推出了自己的线程接口规范，如如So

8、laris ThreadSolaris Thread接口规范、接口规范、OS/2 ThreadOS/2 Thread接接口规范、口规范、Windows NT ThreadWindows NT Thread接口规范等；接口规范等；IEEEIEEE也推出了多线程程序设计标准也推出了多线程程序设计标准POSIX POSIX 1003.4a1003.4a，可以相信多线程技术在程序设计中，可以相信多线程技术在程序设计中将会被越来越广泛地采用。将会被越来越广泛地采用。第7页/共52页第8页/共52页生活中的例子生活中的例子1 1：假设在一个公司中，不分部门，大家一起工作。好比假设在一个公司中，不分部门，大

9、家一起工作。好比一个进程，如果因为一个资源不足，比如今天没打印纸了，一个进程，如果因为一个资源不足，比如今天没打印纸了，所有人都要休息。所有人都要休息。如果分了很多部门，哪个部分缺少资源，哪个部门休如果分了很多部门，哪个部分缺少资源，哪个部门休息，其他部门可以继续工作。息，其他部门可以继续工作。这样就提高了整体的效率。这样就提高了整体的效率。生活的例子生活的例子2 2：某大厦的装璜工程可作为一个某大厦的装璜工程可作为一个“进程进程”运行，下有许运行，下有许多工程队，如瓦工队、木工队、水电工队、油漆工队等，多工程队，如瓦工队、木工队、水电工队、油漆工队等，每个工程队作为一个每个工程队作为一个“线

10、程线程”运行。运行。“进程进程”负责采购资负责采购资源源(源料源料)和工程管理，有源料时这些工程队可以按进度和工程管理，有源料时这些工程队可以按进度齐头并进同时工作齐头并进同时工作(多线程并行执行多线程并行执行)，以加快装璜进度。，以加快装璜进度。缺少源料时，如缺少水泥、木材、水管、油漆之一时，相缺少源料时，如缺少水泥、木材、水管、油漆之一时，相应工程队等待应工程队等待(线程被阻塞线程被阻塞)，而可以调度其他工程队，而可以调度其他工程队(线线程程)工作。从而，提高了整个系统工作。从而，提高了整个系统(装璜工程装璜工程)的并发性，的并发性，加快了工程进度。加快了工程进度。第9页/共52页Outl

11、ine4.1 Why thread is introduced?4.2 Process and thread in the multiple thread environment4.3 How to realize the thread?4.4 Windows thread management4.5 Solaris thread and SMP management4.6 Linux process and thread management第10页/共52页4.2 Process and thread in the multiple thread environment1、Process

12、and threadDispatching is referred to as a threadResource of ownership is referred to as a process or task第11页/共52页ProcessHave a virtual address space which holds the process imageProtected access to processors,other processes,files,and I/O resources第12页/共52页ThreadAn execution state(running,ready,etc

13、.)Saved thread context when not runningHas an execution stackSome per-thread static storage for local variablesAccess to the memory and resources of its processall threads of a process share this第13页/共52页线程定义线程定义线程线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分配的基本单位，故又称为轻权是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分配的基本单位，故又称为轻权（轻型）进程（轻型）进程(Light

14、 Weight Process)，它由线程控制表、存储线程上下文的，它由线程控制表、存储线程上下文的用户栈以及核心栈组成。用户栈以及核心栈组成。传统的进程称为重型进程传统的进程称为重型进程(Heavy Weight Process)。第14页/共52页线程特点线程特点线程是进程的一个实体，可作为系统独立调度和线程是进程的一个实体，可作为系统独立调度和分派的基本单位。分派的基本单位。线程自己基本不拥有系统资源，只拥有少量必不线程自己基本不拥有系统资源，只拥有少量必不可少的资源：程序计数器、一组寄存器、栈。可少的资源：程序计数器、一组寄存器、栈。它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有它可与同属

15、一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程；同一进程一个线程可以创建和撤消另一个线程；同一进程中的多个线程之间可以并发执行。中的多个线程之间可以并发执行。系统开销小、切换快。（进程的多个线程都在进系统开销小、切换快。（进程的多个线程都在进程的地址空间活动）程的地址空间活动）第15页/共52页第16页/共52页TCB：每个线程有一个：每个线程有一个Thread结构，即线程控制块，用于保存自己私有的结构，即线程控制块，用于保存自己私有的信息，主要由以下信息，主要由以下4个基本部分组成：个基本部分组成：一个唯一的线程标识符一个唯一的线程标识符一组寄存器：

16、程序计数器、状态寄存器、通用寄存器一组寄存器：程序计数器、状态寄存器、通用寄存器两个栈指针：一个指向核心栈（核心态下运行时），一个指向用户栈两个栈指针：一个指向核心栈（核心态下运行时），一个指向用户栈（用户态下运行时）。（用户态下运行时）。一个私有存储区：存放私有数据和其它与该线程相关的统计信息。一个私有存储区：存放私有数据和其它与该线程相关的统计信息。第17页/共52页Benefits of ThreadsTakes less time to create a new thread than a processLess time to terminate a thread than a pr

17、ocessLess time to switch between two threads within the same processSince threads within the same process share memory and files,they can communicate with each other without invoking the kernel第18页/共52页线程与进程的比较线程与进程的比较调度：调度：在同一个进程内线程切换不会产生进程切换，由一个进程内的线程切换到在同一个进程内线程切换不会产生进程切换，由一个进程内的线程切换到另一个进程内的线程时，将

18、会引起进程切换。另一个进程内的线程时，将会引起进程切换。并发性：并发性：在引入线程的系统中，进程之间可并发，同一进程内的各线程之间也能在引入线程的系统中，进程之间可并发，同一进程内的各线程之间也能并发执行。因而系统具有更好的并发性。并发执行。因而系统具有更好的并发性。第19页/共52页拥有资源：拥有资源：进程是拥有资源的独立单位，线程一般不拥有系统资源，但它可以访进程是拥有资源的独立单位，线程一般不拥有系统资源，但它可以访问隶属进程的资源。即一个进程的所有资源可供进程内的所有线程共享。问隶属进程的资源。即一个进程的所有资源可供进程内的所有线程共享。第20页/共52页系统开销：系统开销：进程的创

19、建和撤消的开销要远大于线程创建和撤消的开销，进程切换时，进程的创建和撤消的开销要远大于线程创建和撤消的开销，进程切换时，当前进程的当前进程的CPU环境要保存，新进程的环境要保存，新进程的CPU环境要设置，线程切换时只须保存和设环境要设置，线程切换时只须保存和设置少量寄存器，并不涉及存储管理方面的操作，因此进程切换的开销远大于线程切换置少量寄存器，并不涉及存储管理方面的操作，因此进程切换的开销远大于线程切换的开销。的开销。同一进程内的各线程由于它们拥有相同的地址空间，它们之间的同步和通信的实现也同一进程内的各线程由于它们拥有相同的地址空间，它们之间的同步和通信的实现也变得比较容易。变得比较容易。

20、第21页/共52页线程的适用范围线程的适用范围服务器中的文件管理和进程通信控制；服务器中的文件管理和进程通信控制；LAN中的一个文件服务器，在一段时间内需要处理几个文件请求因此有效的中的一个文件服务器，在一段时间内需要处理几个文件请求因此有效的方法是：为每一个请求创建一个线程。方法是：为每一个请求创建一个线程。在一个在一个SMP机器上：多个线程可以同时在不同的处理器上运行。机器上：多个线程可以同时在不同的处理器上运行。前后台处理；前后台处理；在表处理进程中，一个线程显示菜单，并读入用户输入；另一个线程执行用户在表处理进程中，一个线程显示菜单，并读入用户输入；另一个线程执行用户命令和修改表格（后

21、台线程）。命令和修改表格（后台线程）。第22页/共52页异步处理；异步处理；考虑一个应用：由几个独立部分（如打印、显示、计算）组成，考虑一个应用：由几个独立部分（如打印、显示、计算）组成，这几个部分不需要顺序执行，则每个部分可以以线程方式实现。这几个部分不需要顺序执行，则每个部分可以以线程方式实现。当一个线程因当一个线程因I/O阻塞时，可以切换到同一应用的另一个线程。阻塞时，可以切换到同一应用的另一个线程。第23页/共52页2、Thread StatesThread StatesRunningReadyBlocked Operations associated with a change in

22、 threadSpawnScheduleBlockedUnblockedFinish 第24页/共52页Suspending a process involves suspending all threads of the process since all threads share the same address spaceTermination of a process,terminates all threads within the process第25页/共52页Outline4.1 Why thread is introduced?4.2 Process and thread

23、in the multiple thread environment4.3 How to realize the thread?4.4 Windows thread management4.5 Solaris thread and SMP management4.6 Linux process and thread management第26页/共52页4.3 How to realize the thread?1、User-Level Threads2、Kernel-Level Threads3、Combined Approaches第27页/共52页1、User-Level Threads

24、The kernel is not aware of the existence of threadsThe kernel schedule the process as a unit All thread management is done by the applicationPOSIX-P Threads,Java Thread 第28页/共52页任何应用程序均需通过任何应用程序均需通过线程库线程库进行程序设计，再与线程库连接后运行来实现多进行程序设计，再与线程库连接后运行来实现多线程。线程。线程库是一个线程库是一个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。管理的例行程序

25、包，实质上线程库是线程的运行支撑环境。第29页/共52页 进进程程开开始始只只有有一一个个线线程程，它它可可以以孵孵化化新新线线程程，通通过过过过程程调调用用把把控控制制权权传传送送给给“孵孵化化”过过程程，由由线线程程库库为为新新线线程程创创建建一一个个TCB，并并置置为为就就绪绪态态，按按一一定定的的调调度度算算法法把把控控制制权权传传递递给给进进程程中中处处于于就就绪绪态态的的一一个个线线程程。当当控控制制权权传传送送到到线线程程库库时时，当当前前线线程程的的现现场场信信息息应应被被保保存存，而而当当线线程程库库调调度度一一个个线线程程执执行行时时，要要恢恢复复它它的的现现场信息。场信息

26、。线程间的切换由线程库来完成。线程间的切换由线程库来完成。第30页/共52页第31页/共52页AdvantageThe thread switching does not require kernel mode privilegeScheduling can be application specificULTs can run on any OS第32页/共52页DisadvantageMany System calls are blockingCannot take advantage of multiprocessing第33页/共52页2、Kernel-Level ThreadsW2K

27、,Linux,and OS/2 are examples of this approachKernel maintains context information for the process and the threadsScheduling is done on a thread basis第34页/共52页优点优点多多处处理理器器上上，内内核核能能同同时时调调度度同同一一进进程程中中多个线程并行执行。多个线程并行执行。进进程程中中的的一一个个线线程程被被阻阻塞塞了了，内内核核能能调调度度同一进程的其它线程占有处理器运行。同一进程的其它线程占有处理器运行。内内核核线线程程数数据据结结构构

28、和和堆堆栈栈很很小小，KLTKLT切切换换快快,内内核核自自身身也也可可用用多多线线程程技技术术实实现现，能能提高系统的执行速度和效率。提高系统的执行速度和效率。第35页/共52页缺点缺点 应应用用程程序序线线程程在在用用户户态态运运行行，而而线线程程调调度度和和管管理理在在内内核核实实现现,在在同同一一进进程程中中，控控制制权权从从一一个个线线程程传传送送到到另另一一个个线线程程时时需需要要用用户户态态-内内核态核态-用户态的模式切换用户态的模式切换第36页/共52页3、Combined ApproachesExample is SolarisThread creation done in

29、the user spaceBulk(most)of scheduling and synchronization of threads done in the user spaceSome ULTs are mapped onto some KLTs第37页/共52页第38页/共52页4.4 Windows 2000Process Object(类型)第39页/共52页第40页/共52页Windows 2000Thread Object第41页/共52页Windows 2000Thread StatesReadyStandby（待运行）（待运行）RunningWaitingTransitio

30、nTerminated第42页/共52页第43页/共52页4.5 SolarisProcess includes the users address space,stack,and process control blockUser-level threadsLightweight processesKernel threads第44页/共52页第45页/共52页第46页/共52页Solaris Thread ExecutionSynchronizationSuspensionPreemptionYielding第47页/共52页第48页/共52页4.6 Linux ProcessStateScheduling informationIdentifiersInterprocess communicationLinksTimes and timersFile systemVirtual memoryProcessor-specific context第49页/共52页Linux States of a ProcessRunningInterruptableUninterruptableStoppedZombie第50页/共52页第51页/共52页谢谢您的观看！第52页/共52页