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操作系统系列笔记汇总：操作系统笔记及思维导图汇总附复习建议_Qlz的博客-CSDN博客

文章目录

文章目录
Overview
- 进程
- 线程
- - 优点
  - 基本概念
- 进程和线程的比较
Benefits
User and Kernel Threads
- Kernel Threads
- User Threads
- 对比
Multithreading Models
- Many-to-One多对一
- One-to-One一对一
- Many-to-many Model多对多模型
- Two-level Model
Threading Issues
- Semantics of fork( ) and exec( ) system calls
- Thread cancellation
- Signal handling
- Thread pools
- Thread specific data
举例
- SUN Solaris 2
- - 线程需要的资源

Overview

进程

进程具有二个基本属性：

是一个拥有资源的独立单位:它可独立分配虚地址空间、主存和其它
是一个可独立调度和分派的基本单位

由于进程是一个资源的拥有者，因而在进程创建、撤销、调度切换时，系统需要付出较大的时空开销。进程的数目不宜过多，进程切换频率不宜过高，限制了并发程度。

引入线程的目的是简化进程间的通信，以小的开销来提高进程内的并发程度。

线程

线程作为CPU调度单位，而进程只作为其他资源分配单位

只拥有必不可少的资源，如：线程状态、程序计数器、寄存器上下文和栈
同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态
与同属一个进程的其它线程共享进程拥有的全部资源
可并发执行

优点

线程的优点：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。
- 线程的创建时间比进程短；
- 线程的终止时间比进程短；
- 同进程内的线程切换时间比进程短；
- 由于同进程内线程间共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信；

基本概念

A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization; it consists of:
线程（轻型进程）是CPU运用的一个基本单元，包括
- program counter 程序计数器
- register set 寄存器集
- stack space 栈空间
A thread shares with its peer threads its:
一个线程与它的对等线程共享：
- code section 代码段
- data section 数据段
- operating-system resources 操作系统资源
A traditional or heavyweight process is equal to a task with one thread
传统的或重型进程等价于只有一个线程的任务

进程和线程的比较

并发性：在引入线程的OS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OS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。
拥有资源：进程是拥有资源的独立单位
系统开销：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，OS所付出的开销将明显地大于在创建或撤消线程时的开销。
地址空间和其他资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享－－某进程内的线程在其他进程不可见
通信：进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信－－需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性
调度：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多；

Benefits

Responsiveness
响应度高：一个多线程的应用在执行中，即使其中的某个线程阻塞，其他的线程还可继续执行，从而提高响应速度
Resource Sharing
资源共享：同一进程的多个线程共享该进程的内存等资源
Economy

经济性：创建和切换线程的开销要低于进程。比如，Solaris中进程创建时间是线程创建的30倍，进程切换时间是线程切换的5倍。
Utilization of MP Architectures
MP体系结构的运用：多线程更适用于多处理机结构。
在一个多线程任务中，当一个服务器线程被阻塞后，在同一个任务中的第2个线程可运行
同一作业中多线程协同导致高吞吐量并改善性能
应用程序需要共享一个公用的缓冲（即生产者-消费者），从线程运用中得利
线程提供了一种机制，允许序列进程阻塞系统调用同时还能实现并发

User and Kernel Threads

**Kernel-supported threads ** 内核支持的线程 (Mach and OS/2).
User-level threads; supported above the kernel, via a set of library calls at the user level (Project Andrew from CMU).

用户级线程；在内核之上，通过用户级的库调用
Hybrid approach implements both user-level and kernel-supported threads (Solaris 2). 混合处理实现用户级和内核支持线程

Kernel Threads

依赖于OS核心，由内核的内部需求进行创建和撤销，用来执行一个指定的函数

Supported by the Kernel
- 由内核支持，在内核空间执行线程创建、调度和管理
- Thread is unit of CPU scheduling
内核维护进程和线程的上下文信息；
线程切换由内核完成；
一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程的运行。
时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间。
例子
- Windows XP/2000
- Solaris
- Digital UNIX

User Threads

不依赖于OS核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。调度由应用软件内部进行，通常采用非抢先式和更简单的规则，也无需用户态/核心态切换，所以速度特别快。

Thread Management Done by User-Level Threads Library
- 由用户级线程库进行管理的线程
- 线程库提供对线程创建\调度和管理的支持，无需内核支持。
- Process is still unit of CPU scheduling from OS kernel perspective
用户线程的维护由应用进程完成；
内核不了解用户线程的存在；
用户线程切换不需要内核特权；
用户线程调度算法可针对应用优化；
DRAWBACKS
- 如果内核是单线程的,那么一个用户线程发起系统调用而阻塞，则整个进程阻塞。
- 时间片分配给进程，多线程则每个线程就慢。

对比

调度方式：内核线程的调度和切换与进程的调度和切换十分相似，用户线程的调度不需OS的支持。
调度单位：用户线程的调度以进程为单位进行，在采用时间片轮转调度算法时，每个进程分配相同的时间片。对内核级线程，每个线程分配时间片。

Multithreading Models

Many-to-One 多对一
One-to-One 一对一
Many-to-Many 多对多

Many-to-One多对一

多个用户级线程映像进单个内核线程
用于不支持内核线程的系统中
任一时刻只能有一个线程可以访问内核(并发性低)
一个用户线程发起系统调用而阻塞，则整个进程阻塞。

One-to-One一对一

每个用户级线程映像进内核线程
提供了更好的并发性,一个用户线程发起系统调用而阻塞时允许另一个线程运行
每创建一个用户级线程需创建一个相应的内核线程,带来了额外开销,所以许多系统限制应用中的线程数目
例子
- Windows 95/98/NT
- OS/2

Many-to-many Model多对多模型

多对一模型的缺点：不能实现真正的并发
一对一模型的缺点：需限制应用中的线程数目
多对多模型：不限制应用的线程数、多个线程可以并发

Two-level Model

Similar to M:M, except that it allows a user thread to be bound to kernel thread

Threading Issues

Semantics of fork( ) and exec( ) system calls

fork is used to create a separate, duplicate process
in multithreaded program, some UNIX have two versions of fork:
- duplicate all threads in the process 复制所有线程
  - used when no following exec call
- duplicate only the thread calling fork只复制调用fork的线程
  - used when a immediately followed exec call
exec参数所指定的程序会替换整个进程

Thread cancellation

target thread: the thread to be cancelled
asynchronous cancellation异步取消:
- one thread immediately terminates the target thread一个线程立即终止目标线程
- may be cancelled in the middle of updating data shared with other threads
- may not free a system-wide resource
deferred cancellation延迟取消:
- the target thread can periodically check if it should terminate (at so called cancellation points in Pthread)目标线程检查它是否应该终止

Signal handling

当特定事件发生时，一般会给进程发送信号来通知
信号可以被同步或异步的接收
- 同步信号会发送到产生信号的同一个进程。比如，非法内存访问，或者除零错。
- 当信号是由运行进程之外的事件所产生，那么进程就异步的接收信号。比如，定时器中断或者ctrl+C。
单线程进程中，信号总是发送给进程
多线程进程中
- 同步信号需要发送到产生信号的线程，而不是进程中的其他线程
- 异步信号
  - the thread to which the signal applies 信号应用的线程
  - every thread in the process 进程中的所有线程
  - certain threads in the process 进程的某些线程
  - a specific thread to receive all signals 一个特定线程用来接收所有信号

Thread pools

为什么要线程池
- 避免创建和撤销开销
- 限制线程的数量
Main idea of thread pools
considerations
- number of CPUs
- amount of physical memory
- expected number of concurrent requests

Thread specific data

threads belonging to a process share the data of that process
thread-specific data 线程特定数据 is a independent copy of certain data owned by one thread
example
- in a transaction processing system, service each transaction in a separate thread
- transaction ID to each thread
supported in most thread libraries including Win32, Pthreads, Java

举例

SUN Solaris 2

Solaris支持内核线程(Kernel threads)、轻权进程(Lightweight Processes)和用户线程(User Level Threads)。一个进程可有大量用户线程；大量用户线程复用少量的轻权进程，不同的轻权进程分别对应不同的内核线程。
LWP在用户级线程和内核级线程之间层次

线程需要的资源

内核线程：小数据结构及栈；线程切换不需要内存访问信息 - 相对快
LWP: PCB with register data, accounting and memory information,; switching between LWPs is relatively slow.
LWP:带有寄存器数据的PCB，记账和内存信息；在LWP之间切换相对慢
用户级线程：只需栈及程序计数器；无内核涉及所以切换快。内核只关注支持用户级线程的LWP

轻权进程(LightWeight Process)

它是内核支持的用户线程,是内核数据结构，驻留在内核空间。一个进程可有一个或多个轻权进程，每个轻权进程由一个单独的内核线程来支持。

LWP允许一个进程中发出多个并发的系统调用(因为有多个线程)

Without LWPs, user threads would contend(竞争) at system call

用户级线程在使用系统调用时（如文件读写），需要“捆绑(bound)”在一个LWP上。
- 永久捆绑：一个LWP固定被一个用户级线程占用，该LWP移到LWP池之外
- 临时捆绑：从LWP池中临时分配一个未被占用的LWP
对于没有绑定的LWP，则由线程库动态地进行调整：
- 一个进程对应的LWP组成LWP池，线程库动态调整池中LWP的数目，以保证应用的最佳性能：
  - 当池中的LWP全部阻塞，而进程中还有线程可以运行，则线程库会为之创建另一个LWP；
  - 当一个LWP长时间没用（老化，一般为5分钟），则线程库会删除它。
在使用系统调用时，如果所有LWP已被其他用户级线程所占用（捆绑），则该线程阻塞直到有可用的LWP－－例如6个用户级线程，而LWP池有4个LWP
如果LWP执行系统调用时阻塞（如read()调用），则当前捆绑在LWP上的用户级线程也阻塞。

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操作系统第五章笔记---线程

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进程

线程

优点

基本概念

进程和线程的比较

Benefits

User and Kernel Threads

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User Threads

对比

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