在用戶態(tài)與內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)并使用線程

前言

一個(gè)進(jìn)程內(nèi)有多個(gè)線程，線程有自己的寄存器，程序計(jì)數(shù)器，堆棧，狀態(tài)。但是線程間是沒有保護(hù)的，可以共享地址空間，打開文件集，子進(jìn)程，定時(shí)器以及相關(guān)信號量。為什么沒有保護(hù)，原因是：不可能，也沒必要。不同進(jìn)程可能來自不同用戶，它們之間彼此可能有敵意，用戶所持有的資源以進(jìn)程為單位。

與傳統(tǒng)進(jìn)程一樣，線程也擁有運(yùn)行，阻塞，就緒終止?fàn)顟B(tài)，正在運(yùn)行的線程獨(dú)占CPU并且活躍。與進(jìn)程狀態(tài)切換一致，這里就不介紹了。

每個(gè)線程堆棧都有一幀，在該棧幀存放了局部變量和過程調(diào)用后的返回地址。

在多線程情況下，進(jìn)程通常會(huì)從當(dāng)前的單個(gè)線程開始，也就是主線程，該線程會(huì)調(diào)用庫函數(shù)（thread_create）來創(chuàng)建新線程。一般來說，線程之間是平等的。這里介紹其它庫函數(shù)：

pthread_exit:線程運(yùn)行結(jié)束時(shí)，退出，線程消失。

pthread_join:一個(gè)線程可以阻塞等待另一個(gè)線程退出。

pthread_yield:允許線程自動(dòng)放棄CPU讓給其它線程。

4. pthread_attr_init:創(chuàng)建并初始化一個(gè)線程的屬性結(jié)構(gòu)。

5. pthread_attr_destroy:刪除一個(gè)線程的屬性結(jié)構(gòu)。

pthread.h

在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)線程

在用戶空間管理線程時(shí)，每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有一個(gè)線程表，用來跟蹤該進(jìn)程中的線程。這些表和內(nèi)核空間中的進(jìn)程表相似，不過它僅記錄線程的屬性。

用戶線程中，每個(gè)進(jìn)程都有其相關(guān)調(diào)度算法，可擴(kuò)展性高，這是因?yàn)閮?nèi)核線程需要固定的表格和堆?？臻g。

但是，由于用戶線程沒有時(shí)鐘中斷，導(dǎo)致某線程想要運(yùn)行時(shí)，只能依靠前一個(gè)線程主動(dòng)放棄CPU，所以沒有輪轉(zhuǎn)的說法。

在內(nèi)核中使用線程

當(dāng)內(nèi)核支持管理線程時(shí)，進(jìn)程中就沒有線程表了，相反，在內(nèi)核中就有一張線程表，線程想要?jiǎng)?chuàng)建新線程時(shí)，通過系統(tǒng)調(diào)用來對線程表更新。另外，內(nèi)核還維護(hù)了傳統(tǒng)的進(jìn)程表。

在上述情況下，當(dāng)一個(gè)線程阻塞時(shí)，就可以通過系統(tǒng)調(diào)用（內(nèi)核中的線程表）來切換線程了。

在內(nèi)核回收和創(chuàng)建線程代價(jià)是比較大的，所以回收時(shí)，一般會(huì)將線程標(biāo)記為不可運(yùn)行（并不是真正的回收），需要時(shí)再啟動(dòng)。用戶態(tài)線程不需要。

雖然內(nèi)核線程可以解決很多問題，但不是能解決所有問題。比如信號問題，創(chuàng)建新進(jìn)程問題等......

混合實(shí)現(xiàn)

人們研究出了采用多個(gè)用戶線程對應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程的方法，多個(gè)用戶線程多路復(fù)用。

彈出式線程

在分布式系統(tǒng)中，線程經(jīng)常使用，通常下，服務(wù)接受到消息后，該服務(wù)所對應(yīng)的線程會(huì)阻塞并receive，但是彈出式線程會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的線程去處理收到的消息。

在一些OS中，協(xié)作的進(jìn)程可能共享一些彼此都能讀寫的公共存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)可能是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可能是一個(gè)共享文件。



審核編輯：劉清