0x07 操作系统的线程知识

线程引入原因

1. 性能
   操作系统开销大；
   Unix的轻型进程（fork）

2. 应用
   进程代码并发执行的需求；
   例子：PPT编辑（输入/拼写检查/存盘）

3. 硬件
   多核处理器；
   加速进程的运行

线程

线程

• 可在CPU上运行的基本执行单位
• 进程内的一个代码片段可以被创建称为一个线程
• 线程状态：就绪、运行、等待等
• 线程操作：创建、撤销、等待、唤醒等
• 进程依旧是资源分配的基本单位
• 线程自己不拥有系统资源，通过进程申请资源

传统进程

• 重型进程
• 只有一个线程：主线程
• 单线程模型

进程和线程

方面	进程	线程
代码	进程包含线程	线程是进程中的一段代码
资源	进程是资源分配基本单位	线程不拥有资源，共享使用进程的资源
调度	同一进程中的线程切换不会引起进程切换	线程是基本调度单位
切换	重量级上下文切换，代价大	轻量级切换，代价小
生命期	进程撤销会导致它的所有线程被撤销	线程撤销不会影响进程

线程结构

• 代码和数据：来自进程
• 各类资源：来自进程
• 线程控制块（TCB）
  包含线程ID，程序计数器PC，寄存器集，栈空间
  
  Windows线程：
  

单线程和多线程

单线程：
一个进程只有一个线程；
早期操作系统

多线程：
一个进程有多个线程；
支持线程的操作系统

线程优点

1. 响应度高
   线程创建开销小；
   例子：web服务器
2. 资源共享
   进程中的线程可以共享进程资源
3. 经济性
   线程创建、上下文切换比进程快；
   Solaris：创建线程比进程快30倍，线程切换比进程切换快5倍
4. MP体系结构的运用
   一个进程中的线程在不同处理器上并行运行

Web服务器

Windows线程

1. 操作系统支持线程
2. 线程主要数据结构：
   （1）执行线程块ETHREAD
   Executive thread block
   对应程序地址
   指向KTHREAD指针
   内核空间
   （2）核心线程块KTHREAD
   Kernel thread block
   线程调度和同步信息
   内核空间
   （3）线程环境块TEB
   Thread environment block
   用户空间的数据结构，线程本地存储

Linux 线程

• Linux 2.2版引入线程
• 通过clone() 系统调用创建线程
  类似fork
  Linux只支持克隆线程
• 用术语“任务”表示进程和线程，一般不用“线程”
• 用户线程：PThreads

Clone

• 创建进程或者线程
• Clone可有选择继承父进程的资源
  不和父进程共享
  int clone(int (\*fn)(void *),void *child_stack, int flags, void *arg)
  fn：函数指针，指向一个函数体，即想要创建进程的静态程序
  child_stack：给子进程分配系统堆栈的指针
  flags：要复制资源的标志，描述从父进程继承的资源

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多线程模型

用户（管理）线程

用户线程：由用户线程库进行管理的线程

• 内核看不到用户线程
• 用户线程的创建和调度在用户空间内，不需要内核的干预
• 应用于传统的只支持进程的操作系统

例子：

• POSIX Pthreads
• Win32 threads
• Java threads

内核（管理）线程

内核线程：内核进行管理的线程

• 需要内核支持
• 由内核完成线程调度
• 由内核进行创建和撤销

例子：Windows XP/2000，Solaris，Linux，Tru64 UNIX，Mac OS X

多线程模型

多对一模型

不支持内核线程的操作系统

• 内核只有进程

内核只看到一个进程

• 多个线程不能并行运行在多个处理器上

进程中的用户线程由进程自己管理

• 进程内线程切换不会导致进程切换
• 一个线程的系统调用会导致整个进程阻塞

例子：

• Solaris Green Threads
• GNU Portable Threads

一对一模型

用于支持线程的操作系统

• 用户线程映射到内核线程
• 操作系统管理这些线程

并发性好：多个线程可并行运行在多个处理器上

内核开销大

例子：
Windows
OS/2

多对多模型

多个用户线程映射为相等或更小数目的内核线程

• 并发性和效率兼顾
• 增加复杂度

例子：Solaris 9 以前的版本

Solaris 2 多对多模型

两级模型

类似于M:M

例子：IRIX，HP-UX，Tru64 UNIX，Solaris 8及早期版本

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线程库

线程库

为程序员提供API来创建和管理线程

两种模式：
（1）用户库（用户线程）

• 存在于用户空间
• 没有内核支持
• 调用线程库不会产生系统调用

（2）内核库（内核线程）

• 存在于内核
• 操作系统支持
• 调用线程库会产生系统调用

Pthreads线程库

Pthreads：POSIX线程（POSIX threads）

• 线程的POSIX标志
• 定义了创建和操纵线程的一整套API
• 用在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）
• Windows也有移植版pthreads-win32
• 一般多为用户线程

POSIX标准：可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface）

• 定义了操作系统为应用程序提供的接口标准
• 为各种UNIX软件定义的一系列API标准总称

常用线程操作

• pthread_create()：创建一个线程
• pthread_exit()：终止当前线程
• pthread_cancel()：中断另外一个线程的运行
• pthread_join()：阻塞当前的进程，直到另外一个线程运行结束
• pthread_attr_init()：初始化线程的属性
• pthread_t：线程ID
• pthread_attr_t：线程属性

Pthreads例子

gcc -o mypthread -lpthread mypthread.c

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>

pthread_t ntid;

void *thr_fn(void *arg){
	printids("new thread:");
	return((void*)0);
}
int main(){
	int err;
	err=pthread_create(&ntid，NULL，thr_fn，NULL);
	if(err!=0){
		printf（"can't create thread:%s\n",strerror(err));
		return 1;
	}
		sleep(1);
		return 0;
}

Java线程库

Java线程由JAVA虚拟机JVM管理

• Java线程操作系统不可见
• 用户线程
• 定义了创建和操纵线程的一整套API
• 跨操作系统平台

Java线程创建

• 扩展java.lang,Thread类（书本例子）
• 实现Runnable接口

Java线程例子

public class DoSomething implements Runnable{//Runnable接口
	private DoSomething(String name){
		this.name=name;
	}

	public void run(){//Run方法
		System.out.println(name+":"+i);
	}
}

public class TestRunnable{
	public static void main(String[] args){
		DoSomething ds1=new DoSomething("1"); 
		DoSomething ds2=new DoSomething("2"); 
		
		Thread t1 =new Thread(ds1); 
		Thread t2=new Thread(ds2); 
		
		t1. start();
		t2. start();
	}
}

java线程状态

win32线程库

• win32线程库是内核库
• 内核线程
• 线程创建方法：Win32 API，MFC，.Net Framework
• 线程创建：
  HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES IpThreadAttributes，DWORD dwStackSize，LPTHREAD_START_ROUTINE IpStartAddress，LPVOID lpParameter，DWORD dwCreationFlags，LPDWORD IpThreadld)；
  线程函数原型：DWORD WINAPI threadfunc（LPVOID param）；
• 线程挂起：
  DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);
• 线程恢复：
  DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);
• 线程退出：
  VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);
  BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);

win32线程例子

#include"stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <iostream>
DWORD WINAPI Func(LPVOID param){
	while(true){ 
		Sleep(1000); 
		cout<<"hello!"; 
	}
	return 0; 
}
int main(int argc, char* argvI){
	int input=0; 
	HANDLE hand1=Create Thread(NULL,0, Func,(void*)& input, CREATE_SUSPENDED, NULL);
	while(true){
		cin>>input; 
		if(input==1){
			Resume Thread(hand1);
		}else if(input==2){
			Suspend Thread(hand1);
		}else{
			Terminate Thread(hand1,1); 
			return 0;
		}
	}
	return 0;
}

Windows线程状态