03第三章 多线程编程1 多核编程

第三章多线程概述多线程技术•运用恰当，多线程技术就能使硬件资源得到更加充分的利用，提高计算性能；•反之，降低计算性能，导致应用程序发生一些不可预测的行为，甚至出现难以解决的故障。•只要正确理解线程的运行方式，就可以避免这些可能出现的问题，达到充分发挥多线程技术的优势、提高计算性能的目的。进程概念定义：进程是具有一定独立功能的程序关于一个数据集合的一次运行活动。可表示成四元组（P,C,D,S），其中P是程序代码，C是进程的控制状态，D是进程的数据，S是进程的执行状态。状态：•运行态(Run):进程占有处理机资源,正在运行;•就绪态(Ready):进程本身具备运行条件,但由于处理机的个数少于可运行进程的个数,暂未投入运行;•等待态(Wait):进程本身不具备运行条件，即使分给它处理机也不能运行.进程正等待某一个事件的发生,如等待某一资源被释放，等待与该进程相关的I/O传输的完成信号等。进程概念状态间转换•当一个就绪进程获得处理机时,其状态由就绪变为运行;•当一个运行进程被剥夺处理机时,其状态由运行变为就绪;•当一个运行进程因某事件受阻时,如所申请资源被占用,启动I/O传输未完成,其状态由运行变为等待;•当所等待事件发生时,如得到申请资源,I/O传输完成,其状态由等待变为就绪.进程概念进程控制块(ProcessControlBlock，PCB):标志进程存在的数据结构，其中包含系统对进程管理需要的全部信息。进程标识用户标识进程状态调度参数现场信息家族联系程序地址当前打开文件消息队列指针资源使用情况进程队列指针进程概念进程的组成•进程控制块：由于进程控制块中包含程序的地址信息，通过它可以找到程序在内存或外存的存放地址，也就找到了整个进程.PCB存于系统空间，只有操作系统能够对其存取，用户程序不能访问.实际上用户甚至感觉不到PCB的存在；•程序：进程的“躯体”，其中包括代码和数据两个部分.现代操作系统都支持程序共享的功能，这就要求代码是“纯”的，即在运行期间不修改自身。数据一般包括静态变量、动态堆和动态栈。进程概念进程的表示：PCB程序PCB代码数据+堆栈系统空间用户空间（a）（b）进程概念进程的队列：为实现对进程的管理，系统需要按照某种策略将进程排成若干队列，由于PCB是进程的代表，因而进程队列实际上是由进程PCB构成的队列.因为该队列通常由链的形式实现的，所以也称PCB链。系统中的进程队列分为如下三类：就绪队列、等待队列、运行队列。进程的队列就绪队列•整个系统一个.所有处于就绪状态的进程按照某种组织方式排在这一队列中.等待队列•每个等待事件一个，当进程等待某一事件时，进入与该事件相关的等待队列中；当某事件发生时，与该事件相关的一个或多个进程离开相应的等待队列，进入就绪队列.运行队列•在单CPU系统中只有一个，在多CPU系统中每个CPU各有一个，每个队列中只有一个进程，指向运行队列头部的指针被称作运行指示字.进程概念进程的类型•系统进程——运行操作系统程序，完成操作系统的某些功能；•用户进程——运行用户程序，直接为用户服务。特性：•并发性：与其它进程一道在宏观上同时向前推进；•动态性：进程是执行中的程序.此外进程的动态性还体现在如下两个方面：首先，进程是动态产生、动态消亡的；其次，在进程的生存期内，其状态处于经常性的动态变化之中；•独立性：进程是调度的基本单位，它可以获得处理机并参与并发执行；•交往性：进程在运行过程中可能会与其它进程发生直接或间接的相互作用；•异步性：每个进程都以其相对独立、不可预知的速度向前推进；•结构性：每个进程有一个控制块PCB。进程间相互联系与相互作用多道系统中同时运行的并发进程一般有多个，在逻辑上，这些进程之间可能存在某种联系，也可能相对独立•相关进程：在逻辑上具有某种联系的进程称作相关进程;•无关进程：在逻辑上没有任何联系的进程称作无关进程；并发进程之间存在相互制约的关系，这种相互制约的关系称作进程间的相互作用.进程间相互作用的方式有两种：即直接相互作用和间接相互作用•直接相互作用：进程之间不需要通过中间媒介而发生的相互作用，这种相互作用通常是有意识的；•间接相互作用：进程之间需要通过某种中间媒介而发生的相互作用，这种相互作用通常是无意识的。进程的创建与撤销进程创建•建立一个PCB，并对其内容进行初始化；•为该进程分配必要的存储空间，并加载所要执行的程序(在UNIX系统中需要通过另外一个系统调用execl实现)；•将PCB送入就绪队列。进程撤销•完成使命的进程需要终止自己并告知操作系统，系统将对进程进行善后处理(收集进程状态信息、通知其父进程等)，之后将收回进程所占有的所有资源(打开文件、内存等)，最后撤销其PCB。，非正常终止也将进入操作系统进行善后处理。线程的概念线程（thread）是进程上下文（context）中执行的代码序列，又被称为轻量级进程（lightweightprocess），是进程内的一个相对独立的执行流。在支持多线程的系统中：•进程成为资源分配和保护的实体•线程是被调度执行的基本单元。进程的资源•包括进程的地址空间，打开的文件和I/O等属于同一个进程的线程•共享该进程的代码段和数据段，打开的文件，信号等•还包含各自的线程ID，线程执行状态，CPU寄存器状态和栈线程的概念进程和线程的区别：•进程--是指程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度运行的一个独立单位，有时也称为活动、路径或任务。如果说在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序并发执行，以改善资源利用率及提高系统的吞吐量；那么，在操作系统中再引入线程则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。进程是资源的分配单位。•线程–是进程中的一个实体,是被系统调度和分配的基本单元。每个程序至少包含一个线程，那就是主线程。线程自己只拥有很少的系统资源（如程序计数器、一组寄存器和栈），但它可与同属一个进程的其他线程共享所属进程所拥有的全部资源，同一进程中的多个线程之间可以并发执行，从而更好地改善了系统资源的利用率。线程是CPU的调度单位。线程是“进程中的一条执行路径或线索”或“进程中的一个可调度实体”SingleThreadedandMultithreadedProcessModels线程的概念线程具有如下优点：•上下文切换速度快：由同一进程中的一个线程切换到另一个线程只需改变寄存器和栈，包括程序和数据在内的地址空间不变；•系统开销小：创建线程比创建进程所需完成的工作少，因而对于客户请求，服务器动态创建线程比动态创建进程具有更高的响应速度；•通讯容易：由于同一进程中的多个线程地址空间共享，一个线程写到数据空间的信息可以直接被该进程中的另一线程读取，方便快捷；•终止一个线程比终止一个进程的代价要小。线程的概念线程与进程的区别：•线程为轻量级进程（lightweightprocess,LWP），也是CPU调度和分派的基本单元；进程则被称为重量级进程（heavyweightprocess,HWP），它就是只拥有一个线程的进程。如果进程有多个控制线程，那么它就能同时执行多个任务。他们之间的关系可以简单的由下图表示：代码数据文件寄存器栈线程代码数据文件寄存器栈寄存器栈寄存器栈线程线程的概念调度•在传统的操作系统中，CPU调度和分派的基本单位是进程。而在引入线程的操作系统中，则把线程作为CPU调度和分派的基本单位，进程则作为资源拥有的基本单位，从而使传统进程的两个属性分开，线程便能轻装运行，这样可以显著地提高系统的并发性。同一进程中线程的切换不会引起进程切换，从而避免了昂贵的系统调用。但是在由一个进程中的线程切换到另一进程中的线程时，依然会引起进程切换。线程的概念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，而且在一个进程中的多个线程之间也可以并发执行，因而使操作系统具有更好的并发性，从而能更有效地使用系统资源和提高系统的吞吐量。例如，在一个未引入线程的单CPU操作系统中，若仅设置一个文件服务进程，当它由于某种原因被封锁时，便没有其他的文件服务进程来提供服务。在引入了线程的操作系统中，可以在一个文件服务进程中设置多个服务线程。当第一个线程等待时，文件服务进程中的第二个线程可以继续运行；当第二个线程封锁时，第三个线程可以继续执行，从而显著地提高了文件服务的质量以及系统的吞吐量。线程的概念系统开销•不论是引入了线程的操作系统，还是传统的操作系统，进程都是拥有系统资源的一个独立单位，它可以拥有自己的资源。一般地说，线程自己不拥有系统资源（也有一点必不可少的资源），但它可以访问其隶属进程的资源。亦即一个进程的代码段、数据段以及系统资源（如已打开的文件、I/O设备等），可供同一进程的其他所有线程共享。线程的概念拥有资源•由于在创建或撤消进程时，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将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存环境的设置以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只需保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。此外，由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现也变得比较容易。在有的系统中，线程的切换、同步和通信都无需操作系统内核的干预。线程的概念线程的结构线程的概念线程控制块(ThreadControlBlock，TCB)：线程控制块是标志线程存在的数据结构，其中包含系统对于线程进行管理所需要的全部信息线程的概念线程有两种实现方式：用户级线程(UserLevelThread)和核心级线程(KernelLevelThread)。更深入一步来讲我们还可以划分出硬件线程(HardwareThread)。•用户级线程在用户层通过线程库来实现。对它的创建、撤销和切换都不利用系统的调用。•核心级线程由操作系统直接支持，即无论是在用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消和切换都由核心实现。•硬件线程就是线程在硬件执行资源上的表现形式。线程的概念用户级别线程线程的概念用户级别线程优点：•线程不依赖于操作系统，可以采用与问题相关的调度策略，灵活性好；•同一进程中的线程切换不需进入操作系统，因而实现效率较高；•有关线程的所有管理工作都由在用户级实现的线程库来支持。用户级别线程缺点：•同一进程中的多个线程不能真正并行；•由于线程对操作系统不可见，调度在进程级别，某进程中的一个线程通过系统调用进入操作系统受阻，该进程的其它线程也不能运行。用户级别线程特征：•户级线程的创建和管理等操作无须内核参与，操作更快•并行性不高，一个线程被系统阻塞后，整个进程被阻塞线程的概念核心级别线程通过系统调用由操作系统创建，线程的控制结构TCB保存于操作系统空间，线程状态转换由操作系统完成，线程是CPU调度的基本单位。核心级别线程的优点是并发性好，在多CPU环境中同一进程中的多个线程可以真正并行执行核心级别线程的缺点是线程控制和状态转换需要进入操作系统完成，系统开销比较大.特点•并行性高，多个线程可被同时调度充分利用多处理器•创建和管理代价高多线程的映射模式对于实现了用户级线程和内核级线程的操作系统，用户级线程和内核级线程之间的可以有不同的映射方式：多对一模型•多对一模型把多个用户级线程映射到一个内核级线程。•线程的管理在用户空间实现，所以效率高。•当一个线程因调用系统调用被阻塞时，整个进程被阻塞。另外，用户级线程不能在多处理器上并发执行，不支持内核级线程的操作系统使用多对一模型。多线程的映射模式多对一模型多线程的映射模式一对一模型•一对一模型把每个用户级线程影射到一个内核级线程。•当一个线程阻塞时，其他线程仍然可以运行。Examples•Windows95/98/NT/2000•OS/2多对多模型•多对多模型将m个用户