第4讲 线程及其实现⚓

多处理器系统可分为共享存储系统和消息传递系统两类。

消息传递系统中，每个处理器都有一个只有它自己才能访问的局部存储器，处理器之间的通信必须通过消息传递进行。消息传递系统主要包括集群系统和异构计算机系统。

共享存储系统中，多个处理器共享公用的存储器，每个处理器都访问保存在共享存储器中的程序和数据，处理器之间通过存储器相互通信。进一步分 UMA 和 NUMA 结构。

1. UMA(Uniform Memory Access 一致存储器访问)系统也称为 SMP(Symmetric Multi-Processor 对称多处理器)系统。所有的处理器没有主次或从属关系，所有处理器可以平等的访问存储器，共享相同的物理内存。
2. NUMA(Non-Uniform Memory Access 非一致存储器访问)系统由多个节点构成，每个节点有自己的处理器和独立的存储器，节点间通过互联模块连接。共享存储器分布在所有处理机的本地存储器上，所有本地存储器的集合组成了全局地址空间，可被所有的处理机访问。

1. 线程的基本概念⚓

进程(process)是资源分配的单位，并发执行的进程不宜过多。

线程(thread)是 CPU 调度的单位，是进程中能够独立执行的实体(控制流)。线程也是进程的组成部分，同一进程中的不同线程共享进程的主存空间和资源。“进程 = 线程 + 资源平台”。

多线程(multi-threading)：每个进程内允许包含多个并发执行的实体。在多线程环境下，进程是操作系统中除处理器外进行资源分配和保护的基本单位。进程拥有独立的虚拟地址空间，容纳进程映像（进程所关联的程序的代码与数据），并以进程为单位对各种资源实施保护，例如受保护地访问文件、外部设备及其他进程（进程间通信）。由于处理机调度的基本单位是线程，因此在创建一个进程时，同时要为该进程创建一个主线程。

线程共享进程的地址空间和资源：

1. 进程级别资源（所有线程共享）：address space, global variables, open files, child processes, pending alarms, signals and signal handlers, accounting information.
2. 线程级别资源（每个线程独有）：program counter, registers, stack, state.

线程的属性：执行状态（状态转换），上下文，执行栈（包括内核栈和用户栈），可存取所在进程的内存和其他资源，可以创建、撤消另一个线程。

每个线程有自己的栈：函数调用时传递参数，保存返回地址，存放局部变量。

线程控制块(TCB, thread control block)是管理线程的数据结构。TCB 中内容较少，因为多数信息已经记录在 PCB 中。

包含内容：线程标识、线程状态、调度参数、CPU 现场信息。其中，CPU 现场信息主要包括通用寄存器、指令计数器 PC 以及用户栈指针。OS 内核支持的线程的 TCB 中还包含系统栈指针。TCB 可能属于操作系统空间或用户进程空间，取决于线程的实现方式。

线程的状态也有运行、阻塞、就绪，转换方式类似于进程。挂起状态对线程没有意义，如果进程挂起后被对换出主存，则它的所有线程因共享了进程的地址空间，也必须全部对换出去，所以挂起状态是进程级状态，而非线程级状态。类似地，进程的终止会导致所有线程的终止。

线程的优点：

1. 减小并发执行的时间和空间开销（线程的创建、退出和调度），因此容许在系统中建立更多的线程来提高并发程度。
2. 创建/结束一个新线程花费时间少。
3. 两个线程的切换花费时间少，如果机器设有保存/恢复所有寄存器指令，则整个切换过程用几条指令即可完成。
4. 因为同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核。
5. 适合多处理机系统。

线程的缺点：

1. 引入了一定的复杂性。
2. 一个线程的崩溃可能影响到整个进程的稳定性。
3. 线程能够提高的总性能有限，并且线程多了之后，线程本身的调度也更加复杂，需要消耗较多的CPU资源。

2. 线程的实现机制⚓

2.1 用户级线程⚓

User Level Thread, ULT.

线程管理工作由应用程序完成，在用户空间内实现。通过用户空间线程库（运行时系统）管理线程，操作系统内核不知道线程的存在，线程切换不需要核心态特权。线程库是一个管理 ULT 的例行程序包，实质上是线程的运行支撑环境。应用程序需通过调用线程库中的例程进行编程，与线程库链接后形成可执行程序，以实现多线程。

线程库的作用有：创建、撤销线程；在线程间传递消息和数据；调度线程执行；保护和恢复线程上下文。POSIX 的多线程编程接口为 pthread 。

每个进程有线程表(thread table)来跟踪进程中线程的状态，表项为线程控制块 TCB，对应一个线程，记录线程的 PC、栈、状态和寄存器等属性。线程表由线程库管理，当线程由运行态转为就绪态或阻塞态时，在 TCB 中存放重新运行该线程所需的信息。

用户级线程中，操作系统内核不知道线程的活动，仍然管理线程所从属的进程的活动，因此处理器调度的单位是进程而不是线程。线程状态是与进程状态独立的。当线程调用阻塞型系统调用时，整个进程阻塞。

用户级线程的优点：

1. 线程切换不调用操作系统内核，性能良好。
2. 调度是应用程序特定的，可针对应用优化。线程库的线程调度算法与操作系统的低级调度算法无关。
3. 无论操作系统内核是否支持线程，ULT 都可以运行，只需要线程库即可，许多当代操作系统和程序设计语言均提供了线程库。

用户级线程的缺点：

1. 调度通常采用非抢先式和更简单的规则。
2. 大多数系统调用是阻塞的，因此内核阻塞进程，故进程中所有线程将被阻塞。
3. 操作系统内核只将处理器分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上。

2.2 内核级线程⚓

Kernel Level Thread, KLT.

由内核管理线程。内核中需要有记录系统中所有线程的线程表，包括每个线程的线程控制块 TCB，由内核程序维护，一般用户程序不能访问。因此不需要线程库，进程中也不需要线程表。

内核级线程的优点：

1. 多处理器上，内核能够同时调度同一进程中的多个线程并行执行。
2. 阻塞在线程一级完成。若进程中的一个线程被阻塞，内核能够调度同一进程的其它线程占有处理器运行，也可以运行其它进程中的线程。
3. 内核自身也可以用多线程技术实现，提高系统执行效率。

内核级线程的缺点：线程在用户态运行，调度和管理在内核实现，需要频繁进行模式切换。或者说，线程的创建、终止和切换都是通过系统调用，需要从用户态转换到内核态，由内核程序完成，系统开销较大。

2.3 混合实现⚓

使用内核级线程，然后将用户级线程与某些或全部内核级线程多路复用起来。内核只认识内核级线程并对其调度。某些内核级线程的顶部有若干可以轮流使用的用户级线程集合。

混合实现中，线程创建、调度、同步在用户级线程中完成，应用程序的多个 ULT 将被映射到一些 KLT 上。程序员可以根据情况调节 KLT 数量，以求系统达到最佳效果。

例如 Solaris 的线程模型，实现了三个层次的线程结构 ULT,LWP,KLT，有利于操作系统管理线程，并为应用程序提供了接口 API。LWP(Light Weight Process 轻量级进程)是一种由内核支持的用户线程。它是基于内核线程的高级抽象，因此只有先支持内核线程，才能有 LWP。每一个进程有一个或多个 LWP，每个 LWP 由一个内核线程支持，LWP 由内核独立调度，能够在多处理器中并发执行。LWP 可以支持多个 ULT，其作用是作为 ULT 和 KLT 之间的桥梁。

3. Linux 和 Windows 的线程⚓

略。

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