2.4 线程及其实现2.4.1 引入多线程的动机2.4.2 多线程环境中的进程和线程2.4.3 线程的实现

2.4.1 引入多线程的动机

• 单线程 ( 结构 ) 进程（ Single T

hreaded Process ） • 多线程（结构）进程（ Multipl

e Threaded process ）

单线程结构进程给并发程序设计效率带来问题

• 进程切换开销大• 进程通信代价大• 进程间的并发性粒度较粗，并发度不

高• 不适应并行计算和分布并行计算的要

求• 不适合客户 / 服务器计算的要求。

线程的概念 (1)操作系统中引入进程的目的是为

了使多个程序并发执行，以改善资源使用率和提高系统效率，

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。

线程的概念 (2) 解决问题的基本思路： • 把进程的两项功能－－“独立分配资

源”与“被调度分派执行”分离开来， • 进程作为系统资源分配和保护的独立

单位，不需要频繁地切换； • 线程作为系统调度和分派的基本单位，

能轻装运行，会被频繁地调度和切换，在这种指导思想下，产生了线程的概念。

2.4.2 多线程环境中的进程与线程                多线程结构进程

进程 进程PCB

资源 线程控制块

用户栈

核心栈

线程控制块

用户栈

核心栈

…

线程 n控制块

用户栈核心栈存储区存储空间

全局数据

程序代码 线程 1 线程 1

线程控制块

…

线程 2 线程 1

线程控制块

用户栈

核心栈

线程 i 线程 n

多线程环境中进程的定义 进程是操作系统中除处理器外进

行的资源分配和保护的基本单位，它有一个独立的虚拟地址空间，用来容纳进程映像 ( 如与进程关联的程序与数据 ) ，并以进程为单位对各种资源实施保护，如受保护地访问处理器、文件、外部设备及其他进程 ( 进程间通信 ) 。

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。

线程组成线程惟一标识符及线程状态信息；未运行时保存的线程上下文；可把

线程看成是进程中一个独立的程序计数器在操作；

核心栈，核心态下工作时，保存参数，函数调用时的返回地址等；

用于存放线程局部变量及用户栈的私有存储区。

线程又称轻量进程 • 线程运行在进程的上下文中 ,

并使用进程的资源和环境。 • 系统调度的基本单位是线程而

不是进程 ,每当创建一个进程时，至少要同时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。

•Linux线程做法不一样。

线程的状态线程状态有：运行、就绪和阻塞，

线程的状态转换也类似于进程。挂起状态对线程是没有意义的，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。

线程管理和线程库 (1)• 多线程技术利用线程包 (库 ) 提供

线程原语集来支持多线程运行，• 有的操作系统直接支持多线程，而

有的操作系统不支持多线程。• 线程包 (库 ) 可分成两种：用户空

间中运行的线程包 (库 ) 和内核中运行的线程包 (库 ) 。

线程管理和线程库 (2) 线程包 (库 ) 提供一组 API，支持应

用程序创建、调度、撤销和管理线程的运行。基本线程控制原语：

•孵化（ Spawn ）：又称创建线程。 •封锁（ Block）：又称阻塞线程。 • 活化（ Unblock ）：又称恢复线

程。 • 结束（ Finish ）：又称撤销线程。

并发多线程程序设计的优点• 快速线程切换。• 减少（系统）管理开销。•( 线程）通信易于实现。•( 线程）通信易于实现。• 并行程度提高。• 节省主存空间。

多线程技术的应用 进程中线程多种组织方式： 第一种是调度员／工作者模式 第二种是组模式 第三种是流水线模式 多线程技术的应用 •前台和后台工作 • C/S 应用模式 •异步处理 •加快执行速度。 • 设计用户接口。

2.4.3 线程的实现从实现角度看，线程分成 :

• 用户级线程 ULT( 如 Java ,Informix)

• 内核级线程 KLT( 如 OS/2) 。•混合式线程 ( 如， Solaris) 。

2.5 Linux进程与线程 进程描述符 task_struct 中包含：进程标识、链接信息、调度信息、文件信息、虚存空间信息、信号处理信息等。

Linux中认为线程就是共享地址空间及其他资源的进程，故并没有单独为线程定义数据结构，有一套在用户模式下运行的线程库 -pthread ，但每个线程都拥有惟一隶属于自己的 task_struct 。

Linux2.4 进程的核心栈、 PCB 和虚存映象

esp 存放堆栈栈顶指针

核心栈

struct task_struct

8KB

0

0x08048000

0x40000000

0xc0000000

内核虚存

用 户 栈 ( 运 行 时创建 )

共享库主存映象区

运行时堆空间堆 (malloc创建 )读 /写段

只读段从可执行文件加载

esp

用户代码不可见

未 用

brk

Linux2.6进程的核心栈进程核心栈进程核心栈

栈顶

栈指针 esp

thread_info{*task … }}

current

task_struct

进程的核心栈、 *task和 task_struct 结构

Linux进程的运行环境信息 thread_info 结构

包含： 进程描述符 task_struct 指针、当前 CPU号、底层标志、 线程同步标志、 内核抢占计数器等。

Linux2.6 task_struct 增加用于调度的新成员，主要有：动态优先级 prio静态优先级 static_prio正常优先级 normal_prio优先级数组 prio_array进程平均等待时间 sleep_avg负载平衡权重 load_weight 等

Linux进程状态TASK_RUNNINGTASK_INTERRUPTIBLETASK_UNINTERRUPTIBLETASK_ZOMBIE。TASK_STOPPEDTASK_SWAPPING

Linux进程状态及转换

wake_up_interruptible()wake_up( )

TASK_ZOMBIE

TASK_ZOMBIE

TASK_RUNNING

TASK_RUNNING

TASK_UNINTERRUPTIBLE

TASK_UNINTERRUPTIBLE

TASK_INTERRUPTIBLE

TASK_INTERRUPTIBLE

TASK_STOPPED

TASK_STOPPED

   占有 CPU运行   占有 CPU运行

schedule( )

时间片到

schedule( )interruptible_sleep_on( )

schedulle( )sleep_on( )

wake_up()

创建 do_fork( )

do_exit( )schedule( )syscall_trace( )sys_exit( )

收到 SIG_KILL 或 SIG_CONT后，执行wake_up( )

2.6Windows 2003 进程与线程 进程是资源的容器，容纳各种分配到

的资源如主存、已打开文件等； 线程是可被内核调度的执行实体，可

被中断，使 CPU能转向另一线程执行。 进程和线程用对象来实现。

Windows 对象分类 (1) Windows 是一个基于对象的操作系统，

用对象来表示所有的系统资源。 (1) 执行体对象 由执行体的组件实现的对象，用来实现各种外部功能，用户态程序( 服务器对象 ) 可访问执行体对象。

执行体对象：进程、线程、区域、文件、事件、事件对、文件映射、互斥、信号量、计时器、对象目录、符号连接、关键字、端口、存取令牌和终端等。

Windows 对象分类 (2) (2) 内核对象 内核实现的更原始的对象集合，包括：内核过程对象、异步过程调用对象、延迟过程调用对象、中断对象、电源通知对象、电源状态对象、调度程序对象等。

内核对象对用户态代码是不可见的，仅在执行体内创建和使用，许多执行体对象包含一个或多个内核对象，而内核对象能提供仅能由内核来完成的基本功能。

Windows 对象分类 (3)Windows 对象结构对象头对象体 对象管理器

进程及控制和使用的资源

对象句柄表

虚拟地址空间描述符

文件 x

信号量 y

区域 z

…

VAD VAD VAD VAD VAD VAD VAD VAD进程

访问令牌

可用对象

句柄 1

句柄 2

线程 线程 线程

句柄 3

对象和句柄间的关系

应用程序 应用程序

执行体对象 执行体对象 执行体 执行体

内 核 内 核

用户态

核心态

句柄

内核对象

进程对象 ( 进程描述表结构 )

EPROCESS

…void *UniqueprocessId;…

…void *UniqueprocessId;…

KPROCESS

…uint32 kernelTime;uint32 UserTime;…byte State;…

NT 内核NT 内核

NT 执行体NT 执行体

线程对象 ( 进程和线程描述表结构 )

KTHREADKTHREAD

EPROCESS

KPROCESS ETHREAD

KTHREADKTHREAD

KTHREAD NT 内核

NT 执行体

调用 CreateProcess 函数创建进程 创建WIN32 进程的具体步骤：• 打开将在进程中被执行的映像文件（ .EXE）。• 创建Windows2000/XP 执行体进程对象。• 创建初始线程（堆栈、描述表、执行体线程对象）。

• 通知WIN32子系统已创建了一个新的进程，以便它可设置新的进程和线程。

•启动初始线程的执行。• 在新进程和线程的描述表中完成地址空间的初始化，加载所需的 DLL，并开始程序的执行

调用 CreateThread 函数创建线程 创建WIN32 线程的具体步骤：• 在进程地址空间内为线程创建用户态堆栈；初始化

线程描述表；• 调用 NtCreateThread创建执行体线程对象。包括：增加进程中的线程计数，创建并初始化执行体线程块，生成新线程 ID，从非页交换区分配线程的内核堆栈，设置线程环境块 TEB ，设置线程起始地址和用户指定的 WIN32起始地址，设置 KTHREAD块，设置指向进程访问令牌的指针和创建时间；

• 通知WIN32子系统已创建新线程，以便设置新的进程和线程；

• 置新线程为准备态，把其句柄和 ID返回到调用进程；调用 ResumeThread ，线程将被激活并调度执行。

Windows 进程和线程状态

资源可用

事件完成但资源不可用

事件完成资源可用

阻塞挂起

终止

可运行

不可运行

选中 切换

抢占或时间片到 Running

运行态Ready就绪态

Standby准备态

Terminated中止态

Waiting等待态

Transition过渡态