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操作系统学习（六）—— 线程概念及特点，操作系统的并发机制

程序员文章站 2022-07-04 22:09:51
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一、线程

线程概念

线程是进程中的一条执行路径，有自己私用的堆栈和处理机执行环境，共享父进程的主存，单个进程可以创建许多个线程。

进程概念复习

  • 一个可执行程序，定义了初始代码和数据。
  • 一个私用地址空间，它是进程可以使用的一组虚拟主存地址。
  • 进程执行时所需的系统资源（如文件，信号灯，通信端口等）是由操作系统分配的。
  • 若系统支持线程运行，那么每个进程至少有一个执行线程。

进程是任务调度的单位，也是系统资源的分配单位。
线程是进程中的一条执行路径，当系统支持多线程处理时，线程是任务调度的单位，但不是系统资源的分配单位。线程完全继承父进程占有的资源，只是当它活动时有自己的运行现场。

线程运用实例：

网页服务器是多线程的，需要接收用户关于网页，图像，声音等请求，一个网页服务器可能有众多用户的并发访问。服务器创建一个线程以监听客户请求，当有请求产生时，服务器将创建另一个线程来处理请求。

线程的特点与状态：

线程的特点：
  • 线程创建与管理的开销小的多，因为线程可以共享父进程的所有程序和全局数据，这意味着创建一个新线程只涉及最小量的主存分配（线程表），也意味着一个进程创建的多个线程可以共享地址区域和数据。
  • 在进程内创建多线程，可以提高系统的并行处理能力。
线程的状态变迁：

线程是处理机调度的最小单位，而不是进程。一个进程可以创建一个线程，那么它具有单一的控制路径，一个进程也可以创建多个线程，那么它具有多个控制路径。
这时，线程是争夺CPU的单位。
线程的过程：创建，运行，等待，就绪或终止。

用户线程和内核线程

用户线程：在内核支持下，在用户层通过线程库实现的。线程库提供对线程创建、调度和管理等方面的支持。用户线程的创建和调度是在用户空间进行的，不需要内核干预，因此用户级线程通常能快速地创建和管理。
缺点：如果内核是单线程的，那么任何一个用户级线程执行了一个线程等待的系统调用，就会引起整个进程的阻塞。

内核线程：操作系统直接支持。管理由操作系统完成。内核在其空间内执行线程创建，调度和管理。内核线程的创建和管理比在用户级创建和管理用户线程要慢，但正是由于内核管理线程，当一个线程执行等待的系统调用时，内核能调度应用程序内的另一个线程去运行。

二、操作系统的并发机制

在UNIX/Linux系统中，创建一个新进程的唯一方法就是调用系统调用fork。调用fork的为父进程，新创建的进程叫做子进程。格式：

pid = fork();

完成以下操作：
1）为新进程分配一个新的PCB结构；
2）为子进程赋一个唯一的进程标识号（PID）；
3）做一个父进程上下文的逻辑副本。正文代码区无需拷贝，只需增加引用数即可。父子进程将执行相同的代码。但数据段和堆栈段属于进程的私有数据，需要拷贝到新的内存区中。
4）增加与该进程相关联的文件表和索引节点表的引用数。父进程打开的文件子进程可以继续使用。
5）对父进程返回子进程的进程号，对子进程返回零。

例：设有Linux程序如下：

#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
main()
{
    pid_t child;
    int i=2;
    if((child=fork()) == -1)
    {
        printf("fork error.\n");
        exit(0);
    }
    if(child == 0)
    {
        i = i + 3;
        printf("i = %d\n",i);
     }
     i = i + 5;
     printf("i = %d\n",i);
}

运行结果有以下四种：
1）fork error
2）i = 5->10->7，即i=2，然后子进程先执行，child==0，i=5，i=10，之后父进程执行，i=7。
3）i = 7->5->10，即i=2，先执行父进程，再调度子进程。
4）i = 5->7->10，先执行子进程的一半，父进程进入，再调度子进程。

由此，我们可以看出进程调度的必要性。

exec（）类函数

exec（）有一类函数，他们的作用是根据参数指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容。在调用进程内部执行一个可执行文件。

if(fork()==0)
{
    printf("a");
    execlp("./file1",0);
    printf("b");
}

创建线程即应用实例

Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要库libpthread.a（这里是C语言版本）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
void thread()
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
        printf("This is a pthread.\n");
}
int main()
{
    pthread_t id;
    int i,ret;
    ret = pthread_create(&id,NULL,(void* ) thread,NULL);//线程创建函数，成功创建返回0，否则返回-1，确定进入线程的入口
    if(ret != 0)
    {
        printf("Create pthread error!\n");
        exit(1);
    }
    for(i=0;i<3;i++)
        printf("This is the main process.\n");
    pthread_join(id,NULL);//pthread_join()函数，以阻塞的方式等待thread指定的线程结束。
    return (0);
}

等待进程、线程的终止及其应用

在UNIX/Linux系统中，一个进程可以通过系统调用wait使他的执行与子进程的终止同步，即wait函数
格式：pid = wait(stat_addr);
wait（）使父进程暂停执行，直到它的一个子进程结束为止，该函数的返回值是终止运行的子进程的PID。参数status所指向的变量存放子进程的退出码，即从子进程的main函数返回的值或子进程中exit（）函数的参数。如果status不是一个空指针，状态信息将被写入它指向的变量。

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