Lecture 6: Processes 3, Threads

回顾：

1. 调度器类型：抢占式/非抢占式，长期/中期/短期)
2. 性能评价标准
3. 调度算法：FCFS， SJF，轮询，优先队列

本章小结：

• 线程与进程
• 不同的线程实现
• POSIX线程（PThreads）

线程

从操作系统的角度看线程

一个进程由两个基本单元组成：
1. 资源：将所有相关资源分组在一起

• 包含进程映像（程序、数据、堆、栈）的逻辑地址空间。
• 文件，I/O设备，I/O通道，…

2. 执行轨迹，即一个被执行的实体

一个进程可以在多个执行轨迹之间共享其资源，即在同一资源环境中运行的多个线程

单线程进程（左），多线程进程（右）

每个线程都有自己的执行上下文（例如程序计数器，堆栈，寄存器）

所有线程都可以访问进程的共享资源

• 例如文件，一个线程打开一个文件，同一进程的所有线程都可以访问该文件
• 全局变量，内存等（⇒同步！）

与进程类似，线程具有：

• 状态和转换（新建、运行、阻塞、就绪、终止）（new, running, blocked, ready, terminated）
• 线程控制块（TCB）

左边是共享资源，右边是私有资源

线程产生更少的创建/终止/切换开销（地址空间对于同一进程的线程保持相同）
一些cpu对多线程有直接的硬件支持：通常，每个内核最多可以提供8个硬件线程

线程间通信比进程间通信更容易/更快（线程默认共享内存）
地址空间中不需要保护边界（线程是合作的，属于同一个用户，并且有一个共同的目标）
必须仔细考虑同步！

为什么要使用线程

多个相关的活动应用于相同的资源，这些资源应该是可访问/共享的
进程通常包含多个阻塞任务

• I/O操作（线程阻塞，中断标志完成）
• 内存访问：页面错误导致阻塞

这些活动应并行/同时进行
应用实例：web服务器、制作程序、电子表格、文字处理器、处理大数据量

线程的操作系统实现

用户线程 User threads：多对一

线程管理（创建、销毁、调度、线程控制块操作）通过用户库在用户空间中完成
进程在内核不知情的情况下维护运行时系统管理的线程表

• 类似于过程表
• 用于线程切换
• 跟踪线程相关信息

优点:

• 线程位于用户空间（即，不需要模式切换）
• 对线程调度程序的完全控制
• 操作系统无关（线程可以在不支持它们的操作系统上运行）

缺点:

• 阻塞系统调用会挂起整个进程（用户线程被映射到单个进程，由内核管理）
• 没有真正的并行性（进程在单个CPU上调度）
• 时钟中断是不存在的（即用户线程是非抢占的）
• 页面错误导致进程阻塞 

User threads

内核线程 Kernel Threads：一对一

内核管理线程，用户应用程序通过API和系统调用访问线程设施

• 线程表在内核中，包含线程控制块（进程控制块的子集）
• 如果一个线程阻塞，内核将从相同或不同的进程中选择线程

优点:

• 真正的并行是可以实现的
• 不需要运行期系统

频繁的模式切换会导致性能下降
Windows和Linux应用这种方法

Kernel threads

混合实现 Hybrid Implementations：多对多

用户线程被复用到内核线程上
内核看到并调度内核线程（数量有限）
用户应用程序看到用户线程并创建/调度这些线程（数量不受限制）

Kernel threads

性能对比： 用户线程vs内核线程vs进程

Null fork：创建、调度、运行和终止空进程/线程的开销
信号等待：同步线程的开销

比较，单位为µs

线程的实现对比

线程管理：库（Libraries）

线程库提供了一个API/接口来管理线程。（例如，创建、运行、销毁、同步等)
线程库可以实现：

• 完全在用户空间中（即用户线程）
• 基于系统调用，即依赖内核进行线程实现

线程API的例子包括POSIX的PThreads， Windows Threads和Java Threads

• PThread规范可以作为用户线程或内核线程实现

POSIX Threads

也被称为Pthreads，是POSIX标准的一部分，定义了一套用于创建和操纵线程的API。 它为操作系统级线程提供了统一的接口，使得在多种UNIX-like系统上编写可移植的多线程程序成为可能。 Pthreads提供了一套丰富的API，包括创建线程、销毁线程、线程同步和线程通信等操作。 这些API在C语言中定义，因此对于使用C语言进行多线程编程的 开发者 来说非常方便。

POSIX 线程 (Pthread)

深入理解 POSIX 线程 (pthread)：从基础到高级应用-优快云博客https://blog.youkuaiyun.com/yangyangyiyang_/article/details/146888003

POSIX 线程是一种任何人都可以实现的规范，即它定义了一组 API（函数调用，超过 60 个）及其功能作用。
PThreads 的核心功能包括：

PThread的例子

欲获取更详细的描述，请在命令行中使用“man function_name”命令。

这段C程序演示了如何使用POSIX线程(pthread)创建多个线程，每个线程打印自己的ID：

1. 主线程创建10个子线程，每个线程接收自己的ID作为参数

2. 每个子线程执行hello函数，打印自己的ID

3. 主线程等待所有子线程结束

4. 程序退出

#include语句：

• pthread.h：提供多线程相关函数

• stdio.h：标准输入输出

hello线程函数：

void* hello(void* arg) {
    printf("Hello from thread %d\n", *((int*)arg));
    return 0;
}

• 线程的入口函数，参数和返回值都是void*

• 将参数转换为int*后解引用获取线程ID

• 打印线程ID后返回0

创建线程的循环：

for(int i = 0; i < THREADS; i++) {
    args[i] = i;  // 设置线程参数
    if(pthread_create(threads + i, NULL, hello, args + i)) {
        printf("Creating thread %d failed\n", i); 
        return -1;
    }
}

• pthread_create参数：

  • 线程标识符的地址

  • 线程属性(这里为NULL表示默认)

  • 线程函数

  • 传递给线程函数的参数

• 如果创建失败返回非零值，程序退出

等待线程结束的循环：

for(int i = 0; i < THREADS; i++)
    pthread_join(threads[i], NULL);

• pthread_join等待指定线程结束

• 第二个参数可以接收线程返回值(这里不需要设为NULL)