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;
1、多线程环境下的进程与线程
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。
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
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
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。
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
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。
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
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;
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。
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。
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;