OS- -線程詳解

文章目錄

• OS- -線程詳解
• • 一、線程
  • • 1.線程的使用
    • • 多線程解決方案
      • 單線程解決方案
      • 狀態(tài)機解決方案
    • 2.經(jīng)典的線程模型
    • • 線程系統(tǒng)調(diào)用
    • 3.POSIX線程
    • 4.線程實現(xiàn)
    • • 在用戶空間中實現(xiàn)線程
      • 在用戶空間實現(xiàn)線程的優(yōu)勢
      • 在用戶空間實現(xiàn)線程的劣勢
    • 5.在內(nèi)核中實現(xiàn)線程
    • 6.混合實現(xiàn)

一、線程

• 在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，每個進程都有一個地址空間和一個控制線程。事實上，這是大部分進程的定義。
• 不過，在許多情況下，經(jīng)常存在同一地址空間中運行多個控制線程的情形，這些線程就像是分離的進程。

下面我們就著重探討一下什么是線程

1.線程的使用

• 或許這個疑問也是你的疑問，為什么要在進程的基礎上再創(chuàng)建一個線程的概念，準確的說，這其實是進程模型和線程模型的討論，回答這個問題，可能需要分三步來回答：
• ?多線程之間會共享同一塊地址空間和所有可用數(shù)據(jù)的能力，這是進程所不具備的
• ?線程要比進程更輕量級，由于線程更輕，所以它比進程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷。在許多系統(tǒng) 中，創(chuàng)建一個線程要比創(chuàng)建一個進程快10-100倍。
• ?第三個原因可能是性能方面的探討，如果多個線程都是CPU密集型的，那么并不能獲得性能上的 增強，但是如果存在著大量的計算和大量的I/O處理，擁有多個線程能在這些活動中彼此重疊進 行，從而會加快應用程序的執(zhí)行速度

多線程解決方案

• 現(xiàn)在考慮一個線程使用的例子：一個萬維網(wǎng)服務器，對頁面的請求發(fā)送給服務器，而所請求的頁面發(fā)送 回客戶端。

• 在多數(shù)web站點上，某些頁面較其他頁面相比有更多的訪問。

• 例如，索尼的主貞比任何一 個照相機詳情介紹頁面具有更多的訪問

• Web服務器可以把獲得大量訪問的頁面集合保存在內(nèi)存中，避 免到磁盤去調(diào)入這些頁面，從而改善性能。
• 這種頁面的集合稱為高速緩存(cache),高速緩存也應用 在許多場合中，比如說CPU緩存。

• 上面是一個web服務器的組織方式，一個叫做 調(diào)度線程(dispatcher thread)的線程從網(wǎng)絡中讀 入工作請求，在調(diào)度線程檢查完請求后，它會選擇一個空閑的(阻塞的)工作線程來處理請求，通常是 將消息的指針寫入到每個線程關聯(lián)的特殊字中。
• 然后調(diào)度線程會喚醒正在睡眠中的工作線程，把工作線 程的狀態(tài)從阻塞態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)。
• 當工作線程啟動后，它會檢查請求是否在web頁面的高速緩存中存在，這個高速緩存是所有線程都可 以訪問的。
• 如果高速緩存不存在這個web頁面的話，它會調(diào)用一個read操作從磁盤中獲取頁面并且 阻塞線程直到磁盤操作完成。
• 當線程阻塞在硬盤操作的期間，為了完成更多的工作，調(diào)度線程可能挑選 另一個線程運行，也可能把另一個當前就緒的工作線程投入運行。
• 這種模型允許將服務器編寫為順序線程的集合，在分派線程的程序中包含一個死循環(huán)，該循環(huán)用來獲得 工作請求并且把請求派給工作線程。
• 每個工作線程的代碼包含一個從調(diào)度線程接收的請求，并且檢查 web高速緩存中是否存在所需頁面，如果有，直接把該頁面返回給客戶，接著工作線程阻塞，等待一個 新請求的到達。如果沒有，工作線程就從磁盤調(diào)入該頁面，將該頁面返回給客戶機，然后工作線程阻 塞，等待一個新請求。

下面是調(diào)度線程和工作線程的代碼，這里假設TRUE為常數(shù)1, buf和page分別是保存工作請求和 Web頁面的相應結構。

單線程解決方案

現(xiàn)在考慮沒有多線程的情況下，如何編寫Web服務器。

• 我們很容易的就想象為單個線程了，Web服務 器的主循環(huán)獲取請求并檢查請求，并爭取在下一個請求之前完成工作。
• 在等待磁盤操作時，服務器空 轉(zhuǎn)，并且不處理任何到來的其他請求。結果會導致每秒中只有很少的請求被處理

所以這個例子能夠說 明多線程提高了程序的并行性并提高了程序的性能。

狀態(tài)機解決方案

到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)有了兩種解決方案，單線程解決方案和多線程解決方案，其實還有一種解決方案 就是狀態(tài)機解決方案，它的流程如下:

• 如果目前只有一個非阻塞版本的read系統(tǒng)調(diào)用可以使用，那么當請求到達服務器時，這個唯一的read 調(diào)用的線程會進行檢查

• 如果能夠從高速緩存中得到響應，那么直接返回，如果不能，則啟動一個非阻 塞的磁盤操作服務器在表中記錄當前請求的狀態(tài)

• 然后進入并獲取下一個事件，緊接著下一個事件可能就是一個新工 作的請求或是磁盤對先前操作的回答。

• 如果是新工作的請求，那么就開始處理請求。如果是磁盤的響 應，就從表中取出對應的狀態(tài)信息進行處理。

• 對于非阻塞式磁盤I/O而言，這種響應一般都是信號中斷 響應。

• 每次服務器從某個請求工作的狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)時，都必須顯示的保存或者重新裝入相應的計算狀 態(tài)。

• 這里，每個計算都有一個被保存的狀態(tài)，存在一個會發(fā)生且使得相關狀態(tài)發(fā)生改變的事件集合，我 們把這類設計稱為有限狀態(tài)機(finite-state machine)

有限狀態(tài)機杯廣泛的應用在計算機科學 中。

• 這三種解決方案各有各的特性，多線程使得順序進程的思想得以保留下來，并且實現(xiàn)了并行性，但是順 序進程會阻塞系統(tǒng)調(diào)用；
• 單線程服務器保留了阻塞系統(tǒng)的簡易性，但是卻放棄了性能。有限狀態(tài)機的處 理方法運用了非阻塞調(diào)用和中斷，通過并行實現(xiàn)了高性能，但是給編程增加了困難。

2.經(jīng)典的線程模型

理解進程的另一個角度是，用某種方法把相關的資源集中在一起。

• 進程有存放程序正文和數(shù)據(jù)以及其他 資源的地址空間。這些資源包括打開的文件、子進程、即將發(fā)生的定時器、信號處理程序、賬號信息等。把這些信息放在進程中會比較容易管理。
• 另一個概念是，進程中擁有一個執(zhí)行的線程，通常簡寫為 線程(thread)。
• 線程會有程序計數(shù)器，用 來記錄接著要執(zhí)行哪一條指令；線程還擁有寄存器，用來保存線程當前正在使用的變量；線程還會有堆 棧，用來記錄程序的執(zhí)行路徑
• 盡管線程必須在某個進程中執(zhí)行，但是進程和線程完完全全是兩個不同 的概念，并且他們可以分開處理。
• 進程用于把資源集中在一起，而線程則是CPU上調(diào)度執(zhí)行的實體。
• 線程給進程模型增加了一項內(nèi)容，即在同一個進程中，允許彼此之間有較大的獨立性且互不干擾。
• 在一 個進程中并行運行多個線程類似于在一臺計算機上運行多個進程。
• 在多個線程中，各個線程共享同一地 址空間和其他資源。在多個進程中，進程共享物理內(nèi)存、磁盤、打印機和其他資源。
• 因為線程會包含有 一些進程的屬性，所以線程被稱為輕量的進程(lightweight processes)
• 多線程 (multithreading) 一詞還用于描述在同一進程中多個線程的情況。

下圖我們可以看到三個傳統(tǒng)的進程，每個進程有自己的地址空間和單個控制線程。

• 每個線程都在不同的 地址空間中運行
  
• 下圖中，我們可以看到有一個進程三個線程的情況。每個線程都在相同的地址空間中運行
  
• 線程不像是進程那樣具備較強的獨立性。同一個進程中的所有線程都會有完全一樣的地址空間，這意味 著它們也共享同樣的全局變量。
• 由于每個線程都可以訪問進程地址空間內(nèi)每個內(nèi)存地址，因此一個線程 可以讀取、寫入甚至擦除另一個線程的堆棧。

線程之間除了共享同一內(nèi)存空間外，還具有如下不同的內(nèi) 容

• 上圖左邊的是同一個進程中每個線程共享的內(nèi)容，上圖右邊是每個線程中的內(nèi)容。也就是說左邊的列 表是進程的屬性，右邊的列表是線程的屬性。
• 和進程一樣，線程可以處于下面這幾種狀態(tài)：運行中、阻塞、就緒和終止（進程圖中沒有畫）。
• 正在運 行的線程擁有CPU時間片并且狀態(tài)是運行中。一個被阻塞的線程會等待某個釋放它的事件。
• 例如，當 一個線程執(zhí)行從鍵盤讀入數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)用時，該線程就被阻塞直到有輸入為止。線程通常會被阻塞，直 到它等待某個外部事件的發(fā)生或者有其他線程來釋放它。線程之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和進程之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是 —樣的。

每個線程都會有自己的堆棧，如下圖所示：

線程系統(tǒng)調(diào)用

• 進程通常會從當前的某個單線程開始，然后這個線程通過調(diào)用一個庫函數(shù)（比如thread.create ） 創(chuàng)建新的線程。
• 線程創(chuàng)建的函數(shù)會要求指定新創(chuàng)建線程的名稱。創(chuàng)建的線程通常都返回一個線程標識 符，該標識符就是新線程的名字。
• 當一個線程完成工作后，可以通過調(diào)用一個函數(shù)（比如thread_exit ）來退出
• 緊接著線程消失，狀 態(tài)變?yōu)榻K止，不能再進行調(diào)度。在某些線程的運行過程中，可以通過調(diào)用函數(shù)例如thread_join , 表示一個線程可以等待另一個線程退出
• 這個過程阻塞調(diào)用線程直到等待特定的線程退出。在這種情況 下，線程的創(chuàng)建和終止非常類似于進程的創(chuàng)建和終止。
• 另一個常見的線程是調(diào)用thread-yield ,它允許線程自動放棄CPU從而讓另一個線程運行。
• 這樣 一個調(diào)用還是很重要的，因為不同于進程，線程是無法利用時鐘中斷強制讓線程讓出CPU的。

3.POSIX線程

為了使編寫可移植線程程序成為可能，IEEE在IEEE標準1003.1c中定義了線程標準。

線程包被定義 為Pthreads .大部分的UNIX系統(tǒng)支持它。這個標準定義了 60多種功能調(diào)用，一一列舉不太現(xiàn) 實，下面為你列舉了一些常用的系統(tǒng)調(diào)用。

• POSIX線程（通常稱為pthreads）是一種獨立于語言而存在的執(zhí)行模型，以及并行執(zhí)行模型。
• 它允許程序控制時間上重疊的多個不同的工作流程。每個工作流程都稱為一個線程，可以通過調(diào)用 POSIX ThreadsAPI來實現(xiàn)對這些流程的創(chuàng)建和控制。可以把它理解為線程的標準。
• POSIX Threads的實現(xiàn)在許多類似且符合POSIX的操作系統(tǒng)上可用，例如FreeBSD、NetBSD、 OpenBSDs、Linux、macOS、Androids Solaris,它在現(xiàn)有 Windows API 之上實現(xiàn)了 pthreado
• IEEE是世界上最大的技術專業(yè)組織，致力于為人類的利益而發(fā)展技術👏👏👏。

• 所有的Pthreads都有特定的屬性，每一個都含有標識符、一組寄存器（包括程序計數(shù)器）和一組存儲 在結構中的屬性。這個屬性包括堆棧大小、調(diào)度參數(shù)以及其他線程需要的項目。
• 新的線程會通過pthread.create創(chuàng)建，新創(chuàng)建的線程的標識符會作為函數(shù)值返回。這個調(diào)用非常像 是UNIX中的fork系統(tǒng)調(diào)用（除了參數(shù)之外）,其中線程標識符起著PID的作用，這么做的目的 是為了和其他線程進行區(qū)分。
• 當線程完成指派給他的工作后，會通過pthread.exit來終止。這個調(diào)用會停止線程并釋放堆棧。
• 一般一個線程在繼續(xù)運行前需要等待另一個線程完成它的工作并退出。可以通過pthread.join線程 調(diào)用來等待別的特定線程的終止。而要等待線程的線程標識符作為一個參數(shù)給出。
• 有時會出現(xiàn)這種情況：一個線程邏輯上沒有阻塞，但感覺上它已經(jīng)運行了足夠長的時間并且希望給另外 —個線程機會去運行。這時候可以通過pthread_yield來完成。

下面兩個線程調(diào)用是處理屬性的。

• pthread-attr_init建立關聯(lián)一個線程的屬性結構并初始化成默 認值，這些值(例如優(yōu)先級)可以通過修改屬性結構的值來改變。
• 最后，pthread_attr_destroy刪除一個線程的結構，釋放它占用的內(nèi)存。 它不會影響調(diào)用它的線 程，這些線程會一直存在。

為了更好的理解pthread是如何工作的，考慮下面這個例子：

• 主線程在宣布它的指責之后，循環(huán)NUMBER_OF_THREADS次，每次創(chuàng)建一個新的線程。
• 如果線程創(chuàng)建 失敗，會打印出一條信息后退出。在創(chuàng)建完成所有的工作后，主程序退出。

4.線程實現(xiàn)

• 主要有三種實現(xiàn)方式

• ?在用戶空間中實現(xiàn)線程；

• ?在內(nèi)核空間中實現(xiàn)線程；

• ?在用戶和內(nèi)核空間中混合實現(xiàn)線程。

下面我們分開討論一下

在用戶空間中實現(xiàn)線程

• 第一種方法是把整個線程包放在用戶空間中，內(nèi)核對線程一無所知，它不知道線程的存在。

所有的這類 實現(xiàn)都有同樣的通用結構：

• 線程在運行時系統(tǒng)之上運行，運行時系統(tǒng)是管理線程過程的集合，包括前面提到的四個過程： pthread_create,pthread_exit, pthreadjoin 和 pthread_yieldo

• 運行時系統(tǒng)(Runtime System)也叫做運行時環(huán)境，該運行時系統(tǒng)提供了程序在其中運行的環(huán)境。
• 此環(huán)境可能會解決許多問題，包括應用程序內(nèi)存的布局，程序如何訪問變量，在過程之間傳遞參數(shù)的機制，與操作系統(tǒng)的接口等等。
• 編譯器根據(jù)特定的運行時系統(tǒng)進行假設以生成正確的代碼。
  通常，運行時系統(tǒng)將負責設置和管理堆棧，并且會包含諸如垃圾收集，線程或語言內(nèi)置的其 他動態(tài)的功能。

• 在用戶空間管理線程時，每個進程需要有其專用的線程表(thread table),用來跟蹤該進程中的線 程。

• 這些表和內(nèi)核中的進程表類似，不過它僅僅記錄各個線程的屬性，如每個線程的程序計數(shù)器、堆棧 指針、寄存器和狀態(tài)。

• 該線程標由運行時系統(tǒng)統(tǒng)一管理。當一個線程轉(zhuǎn)換到就緒狀態(tài)或阻塞狀態(tài)時，在 該線程表中存放重新啟動該線程的所有信息，與內(nèi)核在進程表中存放的信息完全一樣。

在用戶空間實現(xiàn)線程的優(yōu)勢

• 在用戶空間中實現(xiàn)線程要比在內(nèi)核空間中實現(xiàn)線程具有這些方面的優(yōu)勢：

• 考慮如果在線程完成時或者是 在調(diào)用pthread_yield時，必要時會進程線程切換，然后線程的信息會被保存在運行時環(huán)境所提供 的線程表中，然后，線程調(diào)度程序來選擇另外一個需要運行的線程。

• 保存線程的狀態(tài)和調(diào)度程序都是本 地過程，所以啟動他們比進行內(nèi)核調(diào)用效率更高。因而不需要切換到內(nèi)核，也就不需要上下文切換，也不需要對內(nèi)存高速緩存進行刷新，因為線程調(diào)度非常便捷，因此效率比較高。

• 在用戶空間實現(xiàn)線程還有一個優(yōu)勢就是它允許每個進程有自己定制的調(diào)度算法。

• 例如在某些應用程序 中，那些具有垃圾收集線程的應用程序（知道是誰了吧）就不用擔心自己線程會不會在不合適的時候停 止，這是一個優(yōu)勢。

• 用戶線程還具有較好的可擴展性，因為內(nèi)核空間中的內(nèi)核線程需要一些表空間和堆 棧空間，如果內(nèi)核線程數(shù)量比較大，容易造成問題。

在用戶空間實現(xiàn)線程的劣勢

盡管在用戶空間實現(xiàn)線程會具有一定的性能優(yōu)勢，但是劣勢還是很明顯的，你如何實現(xiàn)阻塞系統(tǒng)調(diào)用 呢？

• 假設在還沒有任何鍵盤輸入之前，一個線程讀取鍵盤，讓線程進行系統(tǒng)調(diào)用是不可能的，因為這會 停止所有的線程。

• 所以，使用線程的一個目標是能夠讓線程進行阻塞調(diào)用，并且要避免被阻塞的線程影 響其他線程。
• 與阻塞調(diào)用類似的問題是缺頁中斷問題，實際上，計算機并不會把所有的程序都一次性的放入內(nèi)存中，如果某個程序發(fā)生函數(shù)調(diào)用或者跳轉(zhuǎn)指令到了一條不在內(nèi)存的指令上，就會發(fā)生頁面故障，而操作系統(tǒng)將到磁盤上取回這個丟失的指令，這就稱為缺頁故障。
• 而在對所需的指令進行讀入和執(zhí)行時，相 關的進程就會被阻塞。如果只有一個線程引起頁面故障，內(nèi)核由于甚至不知道有線程存在，通常會吧整個進程阻塞直到磁盤I/O完成為止，盡管其他的線程是可以運行的。
• 另外一個問題是，如果一個線程開始運行，該線程所在進程中的其他線程都不能運行，除非第一個線程自愿的放棄CPU,在一個單進程內(nèi)部，沒有時鐘中斷，所以不可能使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式調(diào)度線程。除非其他線程能夠以自己的意愿進入運行時環(huán)境，否則調(diào)度程序沒有可以調(diào)度線程的機會。

5.在內(nèi)核中實現(xiàn)線程

• 現(xiàn)在我們考慮使用內(nèi)核來實現(xiàn)線程的情況，此時不再需要運行時環(huán)境了。另外，每個進程中也沒有線程 表。

• 相反，在內(nèi)核中會有用來記錄系統(tǒng)中所有線程的線程表。當某個線程希望創(chuàng)建一個新線程或撤銷一 個已有線程時，它會進行一個系統(tǒng)調(diào)用，這個系統(tǒng)調(diào)用通過對線程表的更新來完成線程創(chuàng)建或銷毀工 作。
  

• 內(nèi)核中的線程表持有每個線程的寄存器、狀態(tài)和其他信息。這些信息和用戶空間中的線程信息相同，但是位置卻被放在了內(nèi)核中而不是用戶空間中。另外，內(nèi)核還維護了一張進程表用來跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)。

• 所有能夠阻塞的調(diào)用都會通過系統(tǒng)調(diào)用的方式來實現(xiàn)，當一個線程阻塞時，內(nèi)核可以進行選擇，是運行在同一個進程中的另一個線程（如果有就緒線程的話）還是運行一個另一個進程中的線程。

• 但是在用戶 實現(xiàn)中，運行時系統(tǒng)始終運行自己的線程，直到內(nèi)核剝奪它的CPU時間片（或者沒有可運行的線程存 在了）為止。

• 由于在內(nèi)核中創(chuàng)建或者銷毀線程的開銷比較大，所以某些系統(tǒng)會采用可循環(huán)利用的方式來回收線程。

• 當 某個線程被銷毀時，就把它標志為不可運行的狀態(tài)，但是其內(nèi)部結構沒有受到影響。

• 稍后，在必須創(chuàng)建 一個新線程時，就會重新啟用舊線程，把它標志為可用狀態(tài)。

• 如果某個進程中的線程造成缺貞故障后，內(nèi)核很容易的就能檢查出來是否有其他可運行的線程，如果有的話，在等待所需要的頁面從磁盤讀入時，就選擇一個可運行的線程運行。這樣做的缺點是系統(tǒng)調(diào)用的代價比較大，所以如果線程的操作（創(chuàng)建、終止）比較多，就會帶來很大的開銷。

6.混合實現(xiàn)

結合用戶空間和內(nèi)核空間的優(yōu)點，設計人員采用了一種內(nèi)核級線程的方式，然后將用戶級線程與某些或者全部內(nèi)核線程多路復用起來：

• 在這種模型中，編程人員可以自由控制用戶線程和內(nèi)核線程的數(shù)量，具有很大的靈活度。
• 采用這種方 法，內(nèi)核只識別內(nèi)核級線程，并對其進行調(diào)度。其中一些內(nèi)核級線程會被多個用戶級線程多路復用。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的OS- -线程详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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