ch2-2.4線程及其實(shí)現(xiàn).ppt

2.4 線程及其實(shí)現(xiàn),2.4.1 引入多線程的動(dòng)機(jī) 2.4.2 多線程環(huán)境中的進(jìn)程和線程 2.4.3 線程的實(shí)現(xiàn),2.4.1 引入多線程的動(dòng)機(jī),單線程(結(jié)構(gòu))進(jìn)程（Single Threaded Process） 多線程（結(jié)構(gòu)）進(jìn)程（Multiple Threaded process）,單線程結(jié)構(gòu)進(jìn)程給并發(fā)程序設(shè)計(jì)效率帶來(lái)問(wèn)題,進(jìn)程切換開銷大 進(jìn)程通信代價(jià)大 進(jìn)程間的并發(fā)性粒度較粗，并 發(fā)度不高 不適合并行計(jì)算和分布并行計(jì)算 的要求 不適合客戶/服務(wù)器計(jì)算的要求。,線程的概念(1),操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程的目的是為了使多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，以改善資源使用率和提高系統(tǒng)效率， 操作系統(tǒng)中再引入線程，則是為了減少程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的時(shí)空開銷，使得并發(fā)粒度更細(xì)、并發(fā)性更好。,線程的概念(2),解決問(wèn)題的基本思路： 把進(jìn)程的兩項(xiàng)功能“獨(dú)立分配資源”與“被調(diào)度分派執(zhí)行”分離開來(lái)， 進(jìn)程作為系統(tǒng)資源分配和保護(hù)的獨(dú)立單位，不需要頻繁地切換； 線程作為系統(tǒng)調(diào)度和分派的基本單位，能輕裝運(yùn)行，會(huì)被頻繁地調(diào)度和切換，在這種指導(dǎo)思想下，產(chǎn)生了線程的概念。,2.4.2 多線程環(huán)境中的進(jìn)程與線程,多線程結(jié)構(gòu)進(jìn)程,多線程環(huán)境中進(jìn)程的定義,進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行除處理器外的資源分配和保護(hù)的基本單位，它有一個(gè)獨(dú)立的虛擬地址空間，用來(lái)容納進(jìn)程映像(如與進(jìn)程關(guān)聯(lián)的程序與數(shù)據(jù))，并以進(jìn)程為單位對(duì)各種資源實(shí)施保護(hù)，如受保護(hù)地訪問(wèn)處理器、文件、外部設(shè)備及其他進(jìn)程(進(jìn)程間通信)。,多線程環(huán)境中的線程概念,線程是操作系統(tǒng)進(jìn)程中能夠獨(dú)立執(zhí)行的實(shí)體（控制流），是處理器調(diào)度和分派的基本單位。線程是進(jìn)程的組成部分，每個(gè)進(jìn)程內(nèi)允許包含多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的實(shí)體（控制流），這就是多線程。,線程組成,線程惟一標(biāo)識(shí)符及線程狀態(tài)信息； 未運(yùn)行時(shí)保存的線程上下文；可把線程看成是進(jìn)程中一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器在操作； 核心棧，核心態(tài)下工作時(shí)，保存參數(shù)，函數(shù)調(diào)用時(shí)的返回地址等； 用于存放線程局部變量及用戶棧的私有存儲(chǔ)區(qū)。,線程又稱輕量進(jìn)程,線程運(yùn)行在進(jìn)程的上下文中,并使用進(jìn)程的資源和環(huán)境。 系統(tǒng)調(diào)度的基本單位是線程而不是進(jìn)程,每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，至少要同時(shí)為該進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)線程，否則該進(jìn)程無(wú)法被調(diào)度執(zhí)行。,線程的狀態(tài),線程狀態(tài)有：運(yùn)行、就緒和阻塞，線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也類似于進(jìn)程。 掛起狀態(tài)對(duì)線程是沒(méi)有意義的，如果進(jìn)程掛起后被對(duì)換出主存，則它的所有線程因共享了進(jìn)程的地址空間，也必須全部對(duì)換出去。,線程管理和線程庫(kù)(1),多線程技術(shù)利用線程包(庫(kù))提供線程原語(yǔ)集來(lái)支持多線程運(yùn)行， 有的操作系統(tǒng)直接支持多線程，而有的操作系統(tǒng)不支持多線程。 線程包(庫(kù))可分成兩種：用戶空間中運(yùn)行的線程包(庫(kù))和內(nèi)核中運(yùn)行的線程包(庫(kù))。,線程管理和線程庫(kù)(2),線程包(庫(kù))提供一組API，支持應(yīng)用程序創(chuàng)建、調(diào)度、撤銷和管理線程的運(yùn)行?；揪€程控制原語(yǔ)： 孵化（Spawn）：又稱創(chuàng)建線程。 封鎖（Block）：又稱阻塞線程。 活化（Unblock）：又稱恢復(fù)線程。 結(jié)束（Finish）：又稱撤銷線程。,并發(fā)多線程程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn), 快速線程切換。 減少（系統(tǒng)）管理開銷。 (線程）通信易于實(shí)現(xiàn)。 并行程度提高。 節(jié)省主存空間。,多線程技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)程中線程多種組織方式： 第一種是調(diào)度員工作者模式 第二種是組模式 第三種是流水線模式 多線程技術(shù)的應(yīng)用 前臺(tái)和后臺(tái)工作 C/S應(yīng)用模式 異步處理 加快執(zhí)行速度。 設(shè)計(jì)用戶接口。,2.4.3 線程的實(shí)現(xiàn),從實(shí)現(xiàn)的角度看，線程分成: 用戶級(jí)線程ULT(如Java ,Informix) 內(nèi)核級(jí)線程KLT(如OS/2)。 混合式線程(如，Solaris)。,2.5 Linux進(jìn)程與線程,進(jìn)程描述符task_struct中包含：進(jìn)程標(biāo)識(shí)、鏈接信息、調(diào)度信息、文件信息、虛存空間信息、信號(hào)處理信息等，在v2.4以上內(nèi)核代碼中，它有將近100個(gè)成員。 Linux中認(rèn)為線程就是共享地址空間及其他資源的進(jìn)程，故并沒(méi)有單獨(dú)為線程定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有一套在用戶模式下運(yùn)行的線程庫(kù)-pthread，但每個(gè)線程都擁有惟一隸屬于自己的task_struct。,Linux2.4進(jìn)程的核心棧、PCB 和虛存映象,Linux2.6進(jìn)程的核心棧,Linux進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境信息thread_info結(jié)構(gòu),包含： 進(jìn)程描述符task_struct指針、 當(dāng)前CPU號(hào)、 底層標(biāo)志、 線程同步標(biāo)志、 內(nèi)核搶占計(jì)數(shù)器等。,Linux2.6 task_struct,增加用于調(diào)度的新成員，主要有： 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)prio 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)static_prio 正常優(yōu)先級(jí)normal_prio 優(yōu)先級(jí)數(shù)組prio_array 進(jìn)程平均等待時(shí)間sleep_avg 負(fù)載平衡權(quán)重load_weight等,Linux進(jìn)程狀態(tài),TASK_RUNNING TASK_INTERRUPTIBLE TASK_UNINTERRUPTIBLE TASK_ZOMBIE。 TASK_STOPPED TASK_SWAPPING,Linux進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換,2.6Windows 2003進(jìn)程與線程,進(jìn)程是資源的容器，容納各種分配到的資源如主存、已打開文件等； 線程是可被內(nèi)核調(diào)度的執(zhí)行實(shí)體，可被中斷，使CPU能轉(zhuǎn)向另一線程執(zhí)行。 進(jìn)程和線程用對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。,Windows 對(duì)象分類(1),Windows 是一個(gè)基于對(duì)象的操作系統(tǒng)，用對(duì)象來(lái)表示所有的系統(tǒng)資源。 (1)執(zhí)行體對(duì)象 由執(zhí)行體的組件實(shí)現(xiàn)的對(duì)象，用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種外部功能，用戶態(tài)程序(服務(wù)器對(duì)象)可訪問(wèn)執(zhí)行體對(duì)象。 執(zhí)行體對(duì)象：進(jìn)程、線程、區(qū)域、文件、事件、事件對(duì)、文件映射、互斥、信號(hào)量、計(jì)時(shí)器、對(duì)象目錄、符號(hào)連接、關(guān)鍵字、端口、存取令牌和終端等。,Windows 對(duì)象分類(2),(2)內(nèi)核對(duì)象 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的更原始的對(duì)象集合，包括：內(nèi)核過(guò)程對(duì)象、異步過(guò)程調(diào)用對(duì)象、延遲過(guò)程調(diào)用對(duì)象、中斷對(duì)象、電源通知對(duì)象、電源狀態(tài)對(duì)象、調(diào)度程序?qū)ο蟮取?內(nèi)核對(duì)象對(duì)用戶態(tài)代碼是不可見(jiàn)的，僅在執(zhí)行體內(nèi)創(chuàng)建和使用，許多執(zhí)行體對(duì)象包含一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核對(duì)象，而內(nèi)核對(duì)象能提供僅能由內(nèi)核來(lái)完成的基本功能。,Windows 對(duì)象分類(3),Windows 對(duì)象結(jié)構(gòu) 對(duì)象頭 對(duì)象體 對(duì)象管理器,進(jìn)程及控制和使用的資源,對(duì)象和句柄間的關(guān)系,進(jìn)程對(duì)象(進(jìn)程描述表結(jié)構(gòu)),線程對(duì)象(進(jìn)程和線程描述表結(jié)構(gòu)),KTHREAD,KTHREAD,EPROCESS,KPROCESS,ETHREAD,KTHREAD,KTHREAD,KTHREAD,NT內(nèi)核,NT執(zhí)行體,調(diào)用CreateProcess函數(shù)創(chuàng)建進(jìn)程,創(chuàng)建WIN32進(jìn)程的具體步驟： 打開將在進(jìn)程中被執(zhí)行的映像文件（.EXE）。 創(chuàng)建Windows2000/XP執(zhí)行體進(jìn)程對(duì)象。 創(chuàng)建初始線程（堆棧、描述表、執(zhí)行體線程對(duì)象）。 通知WIN32子系統(tǒng)已創(chuàng)建了一個(gè)新的進(jìn)程，以便它可設(shè)置新的進(jìn)程和線程。 啟動(dòng)初始線程的執(zhí)行。 在新進(jìn)程和線程的描述表中完成地址空間的初始化，加載所需的DLL，并開始程序的執(zhí)行,調(diào)用CreateThread函數(shù)創(chuàng)建線程,創(chuàng)建WIN32線程的具體步驟： 在進(jìn)程地址空間內(nèi)為線程創(chuàng)建用戶態(tài)堆棧；初始化線程描述表； 調(diào)用NtCreateThread創(chuàng)建執(zhí)行體線程對(duì)象。包括：增加進(jìn)程中的線程計(jì)數(shù)，創(chuàng)建并初始化執(zhí)行體線程塊，生成新線程ID，從非頁(yè)交換區(qū)分配線程的內(nèi)核堆棧，設(shè)置線程