线程

线程的基本概念

　　引入进程是为了使多道程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量；引入线程，则是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。线程最直接的理解就是“轻量级进程”，它是一个基本的CPU执行单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。
　　引入线程后，进程的内涵发生了改变，进程只作为除CPU以外系统资源的分配单元，线程则作为处理机的分配单元。

线程与进程的比较

• 调度。在传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。在引入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行线程切换,如从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。
• 拥有资源。不论是传统操作系统还是设有线程的操作系统，进程都是拥有资源的基本单位，而线程不拥有系统资源（也有一点必不可少的资源），但线程可以访问其隶属进程的系统资源。
• 并发性。在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且多个线程之间也可以并发执行，从而使操作系统具有更好的并发性，提高了系统的吞吐量。
• 系统开销。由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、 I/O设备等，因此操作系统所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程CPU环境的保存及新调度到进程CPU环境的设置，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。此外，由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间，因此，这些线程之间的同步与通信非常容易实现，甚至无需操作系统的干预。
• 地址空间和其他资源（如打开的文件）：进程的地址空间之间互相独立，同一进程的各线程间共享进程的资源，某进程内的线程对于其他进程不可见。
• 通信方面：进程间通信(IPC)需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性，而线程间可以直接读/写进程数据段（如全局变量）来进行通信。

线程的属性

　　在多线程操作系统中，把线程作为独立运行（或调度）的基本单位。线程的主要属性如下：

1. 线程是一个轻型实体，它不拥有系统资源，但每个线程都应有一个唯一的标识符和一个线程控制块，线程控制块记录了线程执行的寄存器和栈等现场状态。
2. 不同的线程可以执行相同的程序，即同一个服务程序被不同的用户调用时，操作系统为它们创建成不同的线程。
3. 同一进程中的各个线程共享该进程所拥有的资源。
4. 线程是独立调度单位，多个线程是可以并发执行的。在单CPU的计算机系统中，各线程可交替地占用CPU；在多CPU的计算机系统中，各线程可同时占用不同的CPU，若各个CPU同时为一个进程内的各线程服务则可缩短进程的处理时间。
5. —个线程被创建后便开始了它的生命周期，直至终止，线程在生命周期内会经历阻塞态、就绪态和运行态等各种状态变化。

线程的实现方式

　　线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-LevelThread, ULT)和内核级线程(Kemel-LevelThread,  KLT)。内核级线程又称为内核支持的线程，由操作系统直接支持和管理；用户线程受内核支持，而无需内核管理。

　　在用户级线程中，有关线程管理的所有工作都由应用程序完成，内核意识不到线程的存在。应用程序可以通过使用线程库设计成多线程程序。通常，应用程序从单线程起始，在该线程中开始运行，在其运行的任何时刻，可以通过调用线程库中的派生例程创建一个在相同进程中运行的新线程。
　　在内核级线程中，线程管理的所有工作由内核完成，应用程序没有进行线程管理的代码，只有一个到内核级线程的编程接口。内核为进程及其内部的每个线程维护上下文信息，调度也是在内核基于线程架构的基础上完成。
　　在一些系统中，使用组合方式的多线程实现。线程创建完全在用户空间中完成，线程的调度和同步也在应用程序中进行。一个应用程序中的多个用户级线程被映射到一些（小于或等于用户级线程的数目）内核级线程上。
多线程模型
　　有些系统同时支持用户线程和内核线程由此产生了不同的多线程模型，即实现用户级线程和内核级线程的连接方式。

• 多对一模型：将多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理在用户空间完成。此模式中，用户级线程对操作系统不可见（即透明）。优点：线程管理是在用户空间进行的，因而效率比较高。缺点：当一个线程在使用内核服务时被阻塞，那么整个进程都会被阻塞；多个线程不能并行地运行在多处理机上。
• 一对一模型：将每个用户级线程映射到一个内核级线程。优点：当一个线程被阻塞后，允许另一个线程继续执行，所以并发能力较强。缺点：每创建一个用户级线程都需要创建一个内核级线程与其对应，这样创建线程的开销比较大，会影响到应用程序的性能。
• 多对多模型：将 n 个用户级线程映射到 m 个内核级线程上，要求 m <= n。特点：在多对一模型和一对一模型中取了个折中，克服了多对一模型的并发度不高的缺点，又克服了一对一模型的一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。又拥有多对一模型和一对一模型各自的优点，可谓集两者之所长。

调度的概念

　　在多道程序系统中，进程的数量往往多于处理机的个数，进程争用处理机的情况就在所难免。处理机调度是对处理机进行分配，就是从就绪队列中，按照一定的算法（公平、髙效）选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发地执行。处理机调度是多道程序操作系统的基础，它是操作系统设计的核心问题。
　　一个作业从提交开始直到完成，往往要经历以下三级调度，如图所示。

1. 作业调度。又称高级调度.其主要任务是按一定的原则从外存上处于后备状态的作业中挑选一个（或多个）作业，给它（们）分配内存、输入/输出设备等必要的资源，并建立相应的进程，以使它（们）获得竞争处理机的权利。简言之，就是内存与辅存之间的调度。对于每个作业只调入一次、调出一次。多道批处理系统中大多配有作业调度，而其他系统中通常不需要配置作业调度。作业调度的执行频率较低，通常为几分钟一次。
2. 中级调度。又称内存调度。引入中级调度是为了提高内存利用率和系统吞吐量。为此，应使那些暂时不能运行的进程，调至外存等待，把此时的进程状态称为挂起状态。当它们已具备运行条件且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定，把外存上的那些已具备运行条件的就绪进程，再重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待。
3. 进程调度。又称为低级调度，其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

三级调度的联系

　　作业调度从外存的后备队列中选择一批作业进入内存，为它们建立进程，这些进程被送入就绪队列，进程调度从就绪队列中选出一个进程，并把其状态改为运行状态，把CPU分配给它。中级调度是为了提高内存的利用率，系统将那些暂时不能运行的进程挂起来。当内存空间宽松时，通过中级调度选择具备运行条件的进程，将其唤醒。

• 作业调度为进程活动做准备，进程调度使进程正常活动起来，中级调度将暂时不能运行的进程挂起，中级调度处于作业调度和进程调度之间。
• 作业调度次数少，中级调度次数略多，进程调度频率最高。
• 进程调度是最基本的，不可或缺。

调度的时机、切换与过程

　　进程调度和切换程序是操作系统内核程序。当请求调度的事件发生后，才可能会运行进程调度程序，当调度了新的就绪进程后，才会去进行进程间的切换。理论上这三件事情应该顺序执行，但在实际设计中，在操作系统内核程序运行时，如果某时发生了引起进程调度的因素，并不一定能够马上进行调度与切换。现代操作系统中，不能进行进程的调度与切换的情况有以下几种情况。

1. 在处理中断的过程中：中断处理过程复杂，在实现上很难做到进程切换，而且中断处理是系统工作的一部分，逻辑上不属于某一进程，不应被剥夺处理机资源。
2. 进程在操作系统内核程序临界区中：进入临界区后，需要独占式地访问共享数据，理论上必须加锁，以防止其他并行程序进入，在解锁前不应切换到其他进程运行，以加快该共享数据的释放。
3. 其他需要完全屏蔽中断的原子操作过程中：如加锁、解锁、中断现场保护、恢复等原子操作。在原子过程中，连中断都要屏蔽，更不应该进行进程调度与切换。

　　如果在上述过程中发生了引起调度的条件，并不能马上进行调度和切换，应置系统的请求调度标志，直到上述过程结束后才进行相应的调度与切换。应该进行进程调度与切换的情况有：

1. 当发生引起调度条件，且当前进程无法继续运行下去时，可以马上进行调度与切换。如果操作系统只在这种情况下进行进程调度，就是非剥夺调度。
2. 当中断处理结束或自陷处理结束后，返回被中断进程的用户态程序执行现场前，若置上请求调度标志，即可马上进行进程调度与切换。如果操作系统支持这种情况下的运行调度程序，就实现了剥夺方式的调度。

　　进程切换往往在调度完成后立刻发生，它要求保存原进程当前切换点的现场信息，恢复被调度进程的现场信息。现场切换时，操作系统内核将原进程的现场信息推入到当前进程的内核堆栈来保存它们，并更新堆栈指针。内核完成从新进程的内核栈中装入新进程的现场信息、更新当前运行进程空间指针、重设PC寄存器等相关工作之后，开始运行新的进程。
进程调度方式
　　所谓进程调度方式是指当某一个进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程需要处理，即有优先权更髙的进程进入就绪队列，此时应如何分配处理机。通常有以下两种进程调度方式：

1. 非剥夺调度方式，又称非抢占方式。是指当一个进程正在处理机上执行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在执行的进程继续执行，直到该进程完成或发生某种事件而进入阻塞状态时，才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。在非剥夺调度方式下，一旦把CPU分配给一个进程，那么该进程就会保持CPU直到终止或转换到等待状态。这种方式的优点是实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统，但它不能用于分时系统和大多数的实时系统。
2. 剥夺调度方式，又称抢占方式。是指当一个进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给这个更为重要或紧迫的进程。釆用剥夺式的调度，对提高系统吞吐率和响应效率都有明显的好处。但“剥夺”不是一种任意性行为，必须遵循一定的原则，主要有：优先权、短进程优先和时间片原则等。

调度的基本准则

　　不同的调度算法具有不同的特性，在选择调度算法时，必须考虑算法所具有的特性。为了比较处理机调度算法的性能，人们提出很多评价准则，下面介绍主要的几种：

1. CPU利用率。应尽可能使CPU 保持“忙”状态，使这一资源利用率最髙。
2. 系统吞吐量。表示单位时间内CPU完成作业的数量。长作业需要消耗较长的处理机时间，因此会降低系统的吞吐量。而对于短作业，它们所需要消耗的处理机时间较短，因此能提高系统的吞吐量。调度算法和方式的不同，也会对系统的吞吐量产生较大的影响。
3. 周转时间。是指从作业提交到作业完成所经历的时间，包括作业等待、在就绪队列中排队、在处理器上运行以及进行输入/输出操作所花费时间的总和。
4. 等待时间。是指进程处于等处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
5. 响应时间。是指从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间。