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线程与经过,学习笔记

本文主要参考自孙钟秀主编的《操作系统教程》一书中关于进程和线程的部分。

在传统的操作系统中,进程是系统进行资源分配的单位,由于并行技术、网络技术、并发程序设计效率的反正,引入了多线程机制;

进程概念

进程

为什么引入进程?

一,刻画系统动态性,发挥系统并发性,提高资源利用率。

以C#为例,在编辑器Visual Studio
Code写了几行代码,保存为cs文件。在未运行状态的下的代码,称之为静态的程序。静态的程序是一个相对的概念。当程序运行起来,它的运行依赖于处理器(CPU)和主存储器资源,我可以称之为动态的程序。以该程序动态执行的过程为基本单位,抽象出一个概念,进程,即进行中的程序。

进程二字,主要是强调动态性。处理器调动进程,存储器为进程分配进程空间,为处理器分配调动控制进程的空间,进程因此创建。当资源不足,或者需等待某个事件发生,进程暂停执行。乃至最后进程运行结果,程序退出主存储器,进程消亡。进程的出现到消亡,无疑是在不断地动态变化。

二,解决共享性。

当你完成一个公用函数时,该函数可以被多个程序调用。
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函数A在被程序甲调用,程序甲正在等待写入磁盘数据操作的返回,处理器空闲,为提高处理器利用效率,程序乙于此同时开始执行,进入起始点a。

此时,如何描述函数A?A处于等待点?A处于起始点a?试着引入进程的概念,将函数和程序联系起来,A对于程序甲构成进程A,A对于程序乙构成进程A。进程A处于等待点,进程A处于起始点。

进程(process)这个名词最早是1960年在MIT的MULTICS和IBM公司的
TSS/360系统中提出的,直到目前对进程的定义和名称均不统一,不同的系统中采用不同的术语名称,例如,MIT称进程(process),IBM公司称任务(task)和
Univac公司称活动(active)。可以说进程的定义多种多样,国内学术界较为一致的看法是:进程是一个可并发执行的具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次执行过程,也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位(1978
年全国操作系统学术会议)

进程属性:

  1. 结构性。进程至少有三要素组成:程序块、数据块、进程控制块。
  2. 共享性。多个进程可共享相同的程序。
  3. 动态性。进程是动态的概念,有生命周期。程序作为一组有序指令的序列合集,是静态概念,程序可以作为一种系统资源永远存在。
  4. 独立性。进程既是系统中资源分配和保护的基本单位,也是系统调度的独立单位(单线程进程)。凡是未建立进程的程序,都不能作为独立单位参与运行。通常,每个进程都可以各自独立的速度在
    CPU上推进。
  5. 制约性:并发进程之间存在着制约关系,进程在进行的关键点上需要相互等待或互通消息,以保证程序执行的可再现性和计算结果的惟一性。
  6. 并发性:进程可以并发地执行,进程的并发性能改进资源利用率和提高系统效率。

1、多线程环境下的进程与线程

  进程是表示资源分配的基本单位,又是调度运行的基本单位。例如,用户运行自己的程序,系统就创建一个进程,并为它分配资源,包括各种表格、内存空间、磁盘空间、I/O设备等。然后,把该进程放人进程的就绪队列。进程调度程序选中它,为它分配CPU以及其它有关资源,该进程才真正运行。所以,进程是系统中的并发执行的单位。

线程

随着并行技术、网络技术和软件设计技术的发展,给并发程序设计效率带来了一系列新的问题,主要表现在:

  • 进程时空的开销大,频繁的进程调度将耗费大量处理器时间,要为每个进程分配存储空间限制了操作系统中进程的总数。
  • 进程通信的代价大,每次通信均要涉及通信进程之间或通信进程与操作系统之间的信息传递。
  • 进程之间的并发性粒度较粗,并发度不高,过多的进程切换和通信延迟使得细粒度的并发得不偿失。
  • 不适合并行计算和分布并行计算的要求,对于多处理器和分布式的计算环境来说,进程之间大量频繁的通信和切换,会大大降低并行度。
  • 不适合客户!服务器计算的要求。对于
    C/S结构来说,那些需要频繁输入输出并同时大量计算的服务器进程(如数据库服务器、事务监督程序)很难体现效率。

如果说操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序能并发执行,以改善资源使用率和提高系统效率,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,使得并发粒度更细、并发性更好。

进程可以分为两项功能:一是独立分配资源,二是被调度分派执行。分配资源仍由进程实现,无需频繁切换。抽出线程的概念,将被调度分派执行的任务移交给线程,可以被频繁的调度和切换。

1、多线程下的进程

在单线程进程模型中,进程和线程的概念可以不加区别,它是由进程控制块和用户地址空间,以及系统/用户堆栈等组成。在进程运行时,处理器的寄存器由进程控制,而进程不运行时,这些寄存器的内容会被保护,所进程与进程之间的关系比较疏远,相对独立,进程管理的开销大,进程间通信效率低微。

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使用单线程进程进行并发程序设计称为并发多进程程序设计,采用此种方式时,并发进程之间的切换和通信均要借助进程管理和进程通信机制,因而实现代价较大,进一步影响了并发的粒度。

为解决这一问题,我们将一个进程的运行划分为两个部分:对资源的管理者和实际的指令执行序列

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如果把进程的管理和执行相分离,进程是操作系统中进行保护和资源分配的单位,允许一个进程中包含由多个可并发执行的控制流,这些控制流的切换时,不需要通过进程调度,通信时可以借助共享内存区,这就是并发多线程序设计

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在多线程环境中,仍然有与进程相关的是PCB
和用户地址空间,而每个线程则存在独立堆栈,以及包含寄存器信息、优先级、其它有关状态信息的线程控制块。线程之间的关系较为密切,一个进程中的所有线程共享其拥有的状态和资源。它们驻留在相同的地址空间,可以存取相同的数据。例如,当一个线程改变了主存中一个数据项时,如果这时其它线程也存取这个数据项,它便能看到相同的结果。

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在Mac、Windows
NT等采用微内核结构的操作系统中,进程的功能发生了变化:它只是资源分配的单位,而不再是调度运行的单位。在微内核系统中,真正调度运行的基本单位是线程。因此,实现并发功能的单位是线程。

进程和线程的相对概念

单线程(结构)进程(single threaded
process):进程在任一时刻只有一个执行控制流
在单线程(结构)进程(single threaded
process)中,进程和线程的概念可以不加区分。

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多线程(结构)进程(multiple threaded process):

  • 在同一进程中设计出多条控制流;
  • 多控制流之间可以并行执行;
  • 多控制流切换不需通过进程调度;
  • 多控制流之间还可以通过内存区直接通信,降低通信开销

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多线程环境中进程的定义:进程是操作系统中进行保护和资源分配的基本单位。
它具有:

  • 一个虚拟地址空间,用来容纳进程的映像;
  • 对处理器、其他(通信的)进程、文件和 I/O资源等的有控制有保护的访问。

而传统进程原先所承担的控制流执行任务交给称作线程的部分完成。

多线程环境中的线程概念:线程是操作系统进程中能够独立执行的实体(控制流),是处理器调度和分派的基本单位。线程是进程的组成部分,每个进程内允许包含多个并发执行的实体(控制流),这就是多线程。同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源,但不拥有资源。

线程具有:

  • 线程执行状态(运行、就绪、等待⋯⋯)。
  • 当线程不运行时,有一个受保护的线程上下文,用于存储现场信息。所以,观察线程的一种方式是运行在进程内一个独立的程序计数器。
  • 一个执行堆栈。
  • 一个容纳局部变量的主存存储区。

线程属性:

  1. 并发性:同一进程的多个线程可在一个或多个处理器上并发或并行地执行,而进程之间的并发执行演变为不同进程的线程之间的并发执行。
  2. 共享性:同一个进程中的所有线程共享但不拥有进程的状态和资源,且驻留在进程的同一个主存地址空间中,可以访问相同的数据。所以,需要有线程之间的通信和同步机制。通信和同步的实现十分方便。
  3. 动态性:线程是程序在相应数据集上的一次执行过程,由创建而产生,至撤销而消亡,有其生命周期,经历各种状态的变化。每个进程被创建时,至少同时为其创建一个线程,需要时线程可以再创建其他线程。
  4. 结构性:线程是操作系统中的基本调度和分派单位,因此,它具有惟一的标识符和线程控制块,其中应包含调度所需的一切私有信息。

进程可以划分为两个部分:资源集合和线程集合。进程要支撑线程运行,为线程提供地址空间和各种资源,它封装了管理信息,包括对指令代码、全局数据和
I/O状态数据等共享部分的管理。线程封装了执行信息,包括对CPU寄存器、执行栈(用户栈、内核栈)和局部变量、过程调用参数、返回值等线程私有部分的管理。由于线程具有许多传统进程所具有的特征,所以也把线程称为轻量进程
LWP(Light-Weight Process)。

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2、多线程环境下的线程概念

线程则是指进程过程中的一条执行路径(控制流),每个进程内允许包含多个并行执行的路径,这就是多线程。多线程时系统进行处理器调度的基本单位,同一个进程下的所有线程共享进程获得的主内存空间和资源。线程具体:

  • 一个线程执行状态(就绪、运行。。。)
  • 有一个受保护的线程上下文,当线程不执行时,用于存储现场信息
  • 一个独立的程序指令计数器
  • 一个执行堆栈
  • 一个容纳局部变量的静态存储器
  • 无挂起
    其含义以下特性:
  • 并行性:同一个进程的多线程可以在一个或多个处理器上并发或并行的运行
  • 共享性:同一个进程中的所有线程共享进程获得主存空间和一切资源
  • 动态性:线程也是程序在相应数据集上的一个执行,由创建而产生,至撤销而消亡,由生命周期

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空间是完成一个程序的运行所需占有和管理的内存空间,它封装了对进程的管理,包括对指令代码、全局数据和
I/O 状态数据等共享部分的管理。线程封装了并发(concurrency),包括对 CPU
寄存器、执行栈(用户栈、内核栈)和局部变量、过程调用参数、返回值等线程私有部分的管理。线程主动地访问空间。

线程概念

3、线程的状态

于进程相似,线程也有一个生命周期,因而也存在各种状态。从理论上来说,线程的关键状态由:运行、就绪、和阻塞。其状态变换类似于进程

  线程是进程中执行运算的最小单位,亦即执行处理机调度的基本单位。如果把进程理解为在逻辑上操作系统所完成的任务,那么线程表示完成该任务的许多可能的子任务之一。例如,假设用户启动了一个窗口中的数据库应用程序,操作系统就将对数据库的调用表示为一个进程。假设用户要从数据库中产生一份工资单报表,并传到一个文件中,这是一个子任务;在产生工资单报表的过程中,用户又可以输人数据库查询请求,这又是一个子任务。这样,操作系统则把每一个请求――工资单报表和新输人的数据查询表示为数据库进程中的独立的线程。线程可以在处理器上独立调度执行,这样,在多处理器环境下就允许几个线程各自在单独处理器上进行。操作系统提供线程就是为了方便而有效地实现这种并发性

2、线程的实现

从实现的角度,线程分为两种,用户级线程(ULT 如Java),内核级线程(KLT
如OS/2)。后者可归结为内核支撑线程或轻量进程。还有一些为混合式线程;

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引入线程的好处

1、内核级线程 KLT

在纯内核级线程设施中,线程管理的所有工作由操作系统OS内核来完成。KLT专门提供一个API,以供调用,应用区不需要有线程管理的代码,而是由内核调度KLT。

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(1)易于调度。

2、用户级线程 ULT

纯 ULT
设施中,线程管理的全部工作都由应用程序来做,内核是不知道线程的存在的。用户级多线程由线程库来实现,任何应用程序均需通过线程库进行程序设计,再与线程库连接后运行来实现多线程。线程库是一个
ULT
管理的例行程序包,它包含了建立/毁灭线程的代码、在线程间传送消息和数据的代码、调度线程执行的代码、以及保护和恢复线程状态(contexts)的代码。

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Jacketing 技术
为了解决用户级线程的缺点,使用一种称作jacketing的技术。主要思想是把阻塞式的系统调用改造成非阻塞式的,当线程调用系统调用,首先调用
jacketing 实用程序,由jacketing
程序来检查资源使用情况,以决定是否调用系统调用或传递控制权给另一个线程;

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(2)提高并发性。通过线程可方便有效地实现并发性。进程可创建多个线程来执行同一程序的不同部分。

(3)开销少。创建线程比创建进程要快,所需开销很少。。

(4)利于充分发挥多处理器的功能。通过创建多线程进程(即一个进程可具有两个或更多个线程),每个线程在一个处理器上运行,从而实现应用程序的并发性,使每个处理器都得到充分运行。

进程和线程的关系

(1)一个线程只能属于一个进程,而一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。

(2)资源分配给进程,同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。
同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量),数据段(全局变量和静态变量),扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段,栈段又叫运行时段,用来存放所有局部变量和临时变量。

(3)处理机分给线程,即真正在处理机上运行的是线程。

(4)线程在执行过程中,需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

 

处理机管理是操作系统的基本管理功能之一,它所关心的是处理机的分配问题。也就是说把CPU(中央处理机)的使用权分给某个程序,通常把这个正准备进入内存的程序称为作业,当这个作业进入内存后我们把它称为进程。

自从60年代提出进程概念,在操作系统中一直都是以进程作为能独立运行的基本单位的。直到80年代中期,人们又提出了比进程更小的能独立运行的基本单位
——线程;试图用它来提高系统内程序并发执行的速度,从而可进一步提高系统的吞吐量。近几年,线程概念已得到了广泛应用,不仅在新推出的操作系统中,大多
都已引入了线程概念,而且在新推出的数据库管理系统和其它应用软件中,也都纷纷引入了线程,来改善系统的性能。

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。为了说明这一点,我们首先回顾进程的两个基本属性:

(1)进程是一个可拥有资源的独立单位;

(2)进程同时又是——个可以独立调度和分派的基本单位。正是由于进程具有这两个基本属性,才使之成为一个能独立运行的基本单位,从而也就构成了进程并发执行的基础。

然而为使程序能并发执行,系统还必须进行以下的一系列操作:

(1)创建进程。系统在创建进程时,必须为之分配其所必需的、除处理机以外的所有资源。如内存空间、I/0设备以及建立相应的PCB。

(2)撤消进程。系统在撤消进程时,又必须先对这些资源进行回收操作,然后再撤消PCB。

(3)进程切换。在对进程进行切换时,由于要保留当前进程的CPU环境和设置新选中进程的CPU环境,为此需花费不少处理机时间。

简言之,由于进程是一个资源拥有者,因而在进程的创建、撤消和切换中,系统必须为之付出较大的时空开销。也正因为如此,在系统中所设置的进程数目不宜过多,进程切换的频率也不宜太高,但这也就限制了并发程度的进一步提高。

如何能使多个程序更好地并发执行,同时又尽量减少系统的开销,已成为近年来设计操作系统时所追求的重要目标。于是,有不少操作系统的学者们想到,可否将进
程的上述属性分开,由操作系统分开来进行处理。即对作为调度和分派的基本单位,不同时作为独立分配资源的单位,以使之轻装运行;而对拥有资源的基本单位,
又不频繁地对之进行切换。正是在这种思想的指导下,产生了线程概念。

在引入线程的操作系统中,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。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源
(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它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程;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,致使线程在运行中也呈现出间断性。相应地,线程也同样有就绪、阻塞和执行三种基本状态,有的系统中线程还有终
止状态。

线程与进程的比较

线程具有许多传统进程所具有的特征,故又称为轻型进程(Light—Weight
Process)或进程元;而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight
Process),它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中,通常一个进程都有若干个线程,至少需要一个线程。下面,我们从调度、并发性、
系统开销、拥有资源等方面,来比较线程与进程。

1.调度

在传统的操作系统中,拥有资源的基本单位和独立调度、分派的基本单位都是进程。而在引入线程的操作系统中,则把线程作为调度和分派的基本单位。而把进程作
为资源拥有的基本单位,使传统进程的两个属性分开,线程便能轻装运行,从而可显著地提高系统的并发程度。在同一进程中,线程的切换不会引起进程的切换,在
由一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时,将会引起进程的切换。

2.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,亦可并发执行,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,当它由于某种原因而被阻塞时,便没有其它的文件服
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;当第二个线程阻塞时,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吞吐量。

3.拥有资源

不论是传统的操作系统,还是设有线程的操作系统,进程都是拥有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,可供问一进程的其它所有线
程共享。

4.系统开销

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环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只须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、同步和通信都无须操作系统内核的干预

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