【正文】 187。 進程切換開銷大于進程內線程 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 70 2022年 4月 17日星期日 線程的實現(xiàn) 傳統(tǒng)上的原因， 內核級線程 和 用戶級線程 ?用戶級線程 操作系統(tǒng)提供在用戶空間執(zhí)行的 線程庫（ 5點 ） ?線程庫 是一組供應用程序所共享應用級軟件包 ?該線程庫提供創(chuàng)建、調度、撤銷線程功能 ?在用戶態(tài)完成 (見圖 (a)) ?線程對內核是透明的 ?操作系統(tǒng)內核只對進程管理 174。174。174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 71 2022年 4月 17日星期日 線程的實現(xiàn) ? 用戶級線程 當一個線程被派生時，線程庫為其生成相應的線程控制塊 TCB等數(shù)據(jù)結構， 其處理過程與進程創(chuàng)建過程大致相似 ， 不同的 2點 ： ?用戶級線程的調度算法只進行 線程上下文切換 ，不涉及處理機的狀態(tài)（與內核無關） ?當一個進程由于 I/O中斷等原因進入阻塞，而屬于該進程執(zhí)行中線程仍處于執(zhí)行狀態(tài) ? 用戶級線程圖 用戶級線程狀態(tài)與進程狀態(tài)間關系阻塞就緒運行線程 1運行就緒 阻塞線程 2運行就緒 阻塞進程 P（ a）阻塞就緒運行線程 1運行就緒 阻塞線程 2阻塞運行就緒 進程 P （ b ）阻塞就緒運行線程 1阻塞就緒運行進程 P運行就緒 阻塞線程 2（ c）運行就緒 阻塞線程 1運行就緒 阻塞進程 P阻塞運行就緒 線程 2（ d ）線程 2中執(zhí)行的應用程序執(zhí)行 系統(tǒng)調用，阻塞了進程P(如進行一次 I/O) ，導致控制轉移到內核，內核啟動I/O 操作， 并切換到另一個進程 。根據(jù)線程庫維護的數(shù)據(jù)結構，進程 P線程 2仍處于運行狀態(tài) , 如 (b) 。注意，線程 2運行態(tài)是線程庫察覺出它處于運行狀態(tài)。時鐘中斷把控制傳遞給內核，內核確定當前正在運行的進程 P已經用完了它的時間片，內核將進程 P置于就緒狀態(tài)，并切換到另一個進程。在此期間，根據(jù)線程庫維護的數(shù)據(jù)結構，進程 P線程 2仍處于運行狀態(tài)。相應的狀態(tài)圖如 (c) 。線程 2執(zhí)行到某處，需進程 P線程 1所執(zhí)行的某些動作。線程 2進入阻塞狀態(tài)，線程 1從就緒態(tài)轉換到運行態(tài)；進程 P保留在運行態(tài)。圖 (d) 。下一步下一步下一步下一步174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 72 2022年 4月 17日星期日 線程的實現(xiàn) ? 用戶級線程 使用用戶級線程代替內核線程有 3個優(yōu)點： ?避免由 用戶 → 內核 、 內核 → 用戶模式 間切換 ?線程之間切換算法可由應用確定 ；簡單輪轉算法等 .線程切換 不會干擾內核調度 ?用戶級線程可以在任何操作系統(tǒng)中運行，不需要對低層內核進行修改以支持用戶級線程的實現(xiàn) ?應用例子 ? 用戶級線程模擬 Wi ndows 系統(tǒng)調度進程 1線程集合 PPT應用進程┅ ┅ mtask 應用程序進程 /線程調度機制初始創(chuàng)建定時中斷處理簡單輪轉調度機制任務1任務2任務3任務4任務5?利用 C 程序設計了一個 多任務 應用程序，其 3 個特點為：? 以一個應用程序模擬用戶級多線程? 應用程序基于系統(tǒng)定時中斷作為內部任務切換時機? 通過輪轉調度算法實現(xiàn)宏觀同時運行利用 程序設計了一個 多任務 應用程序，其 個特點為：以一個應用程序模擬用戶級多線程應用程序基于系統(tǒng)定時中斷作為內部任務切換時機 通過輪轉調度算法實現(xiàn)宏觀同時運行174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 73 2022年 4月 17日星期日 線程的實現(xiàn) ?核心級線程 4個主要特點 : ?線程控制塊 TCB在系統(tǒng)空間 ?給應用程序提供相應 系統(tǒng)調用和應用程序接口 ，以創(chuàng)建、撤消 ?核心級線程可以被 調度到不同處理機上 并行 執(zhí)行 ?內核同時 負責進程內不同線程調度工作 (狀態(tài)轉換 )， 不會出現(xiàn)進程處于阻塞，線程處于執(zhí)行情況 核心級線程模型見圖 （ b） 174。174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 74 2022年 4月 17日星期日 線程的實現(xiàn) ?核心級線程 用戶級線程相對于內核級線程有兩個明顯的缺點： ?用戶級線程執(zhí)行一個系統(tǒng)調用時，不僅這個線程被阻塞，整個進程的所有線程都被阻塞了 ?一個多線程用戶應用程序不能利用多處理技術（同時在不同處理機上） ?混合線程 用戶線程與核心線程結合起來，產生多對 1，多對多的模型，如圖 （ c）和（ d）所示 174。174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 75 2022年 4月 17日星期日 線程的調度 當進程可以有多個線程時，就存在兩個層次的并發(fā) /并行：進程和線程。因此，調度是分情況的（見后續(xù)圖示例） ?用戶級線程 3個特點（假定以時間片進行進程切換）： ?內核表現(xiàn)僅對進程給予時間片控制（時鐘中斷） ?用戶中線程調度決定哪個線程運行，與內核無關 ?若線程用完了系統(tǒng)給于進程的全部時間片，內核就會選擇另一個進程投入運行 ?核心級線程 內核選擇線程運行，賦予一個時間片，不考慮線程屬于哪個進程 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 76 2022年 4月 17日星期日 線程的調度 例： 2個假定： ?系統(tǒng)的時間片為 50ms ，每個線程 5ms運行時間 ?進程 A分為 A1， A2， A3， 3個線程，進程 B分為 B1， B2， B3， B4， 4個線程 見圖解釋： 174。174。進程表線程表進程表可能： A1 ， A2 ， A3 ， A1 ， A2 ， A3不可能： A1 ， B1 ， A2 ， B2 ， A3 ， B3（ a ）進程 A1. 內核選取一個進程進程 B1 2 31. 內核選取一個線程2. 運行時系統(tǒng)選取一個線程1. 線 程 運行的順序進程 A 進程 B圖 （ a ）用戶級 線程的可能調度，有 50ms 時間片的進程以及每次運行 5ms CPU 的線程 （ b ）與（ a ）有相同特性的內核級線程的可能調度可能： A1 ， A2 ， A3 ， A1 ， A2 ， A3也可能： A1 ， B1 ， A2 ， B2 ， A3 ， B3（ b ）1 3 2174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 77 2022年 4月 17日星期日 線程的應用 線程的適用范圍 （幾種典型的應用）： ?服務器中的文件管理和進程通信控制 ?前后臺處理 ?異步處理 ?數(shù)據(jù)的批處理 ?網(wǎng)絡系統(tǒng)中信息發(fā)送和接受等 *還是強調： 從系統(tǒng)角度，多進程多控制流與一個應用內多個控制流的活動是不同的， 很難設想兩個不同的用戶可同時在編輯同一個文檔 （見后續(xù)圖示） 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 78 2022年 4月 17日星期日 線程的應用 考慮一個字處理程序，若有一個共有 800頁的文件（如書稿） 1. 原第 1頁已刪去一些字符，字處理程序并不知道第 600頁的第 1行現(xiàn)在在什么位置，因而字處理程序被強制對整本書的前 600頁重新進行格式處理； 2. 在第 600頁在屏幕上顯示出來之前，計算機可能 暫時停止接收鍵盤和其它操作！ 。 ┊ ┊ 頁號 1 2 ┇ 600 799 800 顯示緩沖區(qū) 內存 若在第 1頁上刪掉了一個句子，馬上打算在第 600頁上進行另一個修改（如查閱那里的一個短語），并 鍵入一條命令 通知字處理程序轉到該頁面， 所引起的 2個問題： 下一步 接收鍵盤 /鼠標命令、內部整理等各個獨立操作完全是一個順序處理流 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 79 2022年 4月 17日星期日 線程的應用 ┅ 內核 緩沖區(qū) 圖 有 3個線程的字符處理程序 接受命令與解釋 處理文檔編輯 文檔備份 單線程 ， 多程序 （ 段 ） 多線程 （ a） （ b） 接收 命令 文檔 備份 文檔 處理 下一步 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 80 2022年 4月 17日星期日 Linux 進程管理 Linux 進程結構 Linux 進程運行狀態(tài)及模式 Linux 進程控制 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 81 2022年 4月 17日星期日 Linux 進程結構 ?Linux進程的組成 在 Linux系統(tǒng)中，一個進程由三部分組成： ?正文段（ text） ——執(zhí)行的機器指令，可以共享 ?用戶數(shù)據(jù)段（ user segment） ——執(zhí)行時直接進行操作的所有數(shù)據(jù)，私用用戶數(shù)據(jù)段 ?系統(tǒng)數(shù)據(jù)段（ system segment） ——存放程序運行環(huán)境 /控制信息，即 task_struct數(shù)據(jù)結構/PCB（進程描述符），大約 1K多字節(jié) 174。174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 82 2022年 4月 17日星期日 Linux 進程結構 ?進程空間和系統(tǒng)空間 進程的虛擬地址空間被分做兩個部分，用戶空間和系統(tǒng)空間 圖 執(zhí)行狀態(tài)和上下文 圖 核心棧與進程描述符 兩個物理頁幀 8KB 進程控制塊 核心模式棧 棧自 頂向 下增 長 用戶態(tài) 系統(tǒng)態(tài) 系統(tǒng)上下文 進程上下文 應用程序 只能訪問進程空間 不允許 系統(tǒng)任務 只訪問系統(tǒng)空間 系統(tǒng)調用 異常中斷 可訪問系統(tǒng)和進程空間 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 83 2022年 4月 17日星期日 Linux 進程結構 ?進程上下文和系統(tǒng)上下文 ?進程上下文 ——進程動態(tài)變化的運行環(huán)境總和。進程切換 (procdss switching)又稱為上下文切換 (context switching) ?系統(tǒng)上下文 ——系統(tǒng)在完成自身任務時的運行環(huán)境稱為系統(tǒng)上下文 (system context)。 內核在系統(tǒng)上下文中執(zhí)行時不會阻塞 注： 進程執(zhí)行一個系統(tǒng)調用時，系統(tǒng)在內核為用戶進程服務，此時內核的運行仍是進程的一部分，所以說這時內核是運行在進程上下文中 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 84 2022年 4月 17日星期日 Linux進程狀態(tài)及運行模式 ?進程的狀態(tài) 圖 Linux 進程狀態(tài)轉換 運行 就緒 暫停 僵死 調度 時間片到 等待資源 sleep_on() schedule() 等待資源 Interruptible_sleeep_on()schedule() 退出 do_exit() 跟蹤 schedule() 等待資源到位喚醒 wake_up() 等待資源到位喚醒 wake_up_intrruptible() 收到信號 SIG_CONT 喚醒 wake_up() 不可中斷等待 可中斷等待 174。 NOTE BOOK Operating System 第 3 章 85 2022年 4月 17日星期日 Linux進程狀態(tài)及運行模式 ?進程的模式和類型 ?進程的兩種執(zhí)行模式 ?用戶模式 ——應用程序或者內核之外的系統(tǒng)程序 ?內核模式 ——系統(tǒng)調用或者發(fā)生中斷事件，運行操作系統(tǒng)（即核心）程序 ?進程可劃分為兩大類 ?系統(tǒng)進程 ——只運行在內核模式，執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼，完成管理性的工作（內存分配和進程切換等） ?用戶進程 ——用戶模式中執(zhí)行，并通過系統(tǒng)調用或在出現(xiàn)中斷、異常時進入內核模式