寫在前面
資料來源於我的作業系統老師，WYQ老師

2.8 執行緒及其實現

1.執行緒的基本概念
2.執行緒的實現及控制

引入程式 的目的：
使多個程式能併發執行，提高資源利用率和系統吞吐量。
引入執行緒 的目的：
應用的需要/ 開銷的考慮/ 效能的提升

開銷的考慮

（1）程式相關的操作：

• 建立程式
• 撤消程式
• 程式通訊
• 程式切換
  → 時間/空間開銷大，限制了併發度的提高。

（2）執行緒的開銷小

• 建立一個新執行緒花費時間少（撤銷亦如此）
• 兩個執行緒切換花費時間少
• 執行緒之間相互通訊無須呼叫核心（同一程式內的執行緒共享記憶體和檔案）

效能的提升

• 多個執行緒，有的計算，有的I/O，進一步提高併發度。
• 充分利用多處理器的優勢。

1.執行緒的概念

在同一程式增加了多個執行序列（執行緒）

（1）執行緒：程式中的一個執行實體，是CPU的排程單位,有時將執行緒稱為輕量級程式
程式與執行緒

• 程式是資源分配單位
• 執行緒是CPU執行單位
  多執行緒優點
• 切換速度快（地址空間不變）
• 系統開銷小
• 通訊容易（共享資料空間）
  
  
  （2）執行緒模型
  每個執行緒擁有自己的棧：區域性變數、返回地址
  （3）執行緒控制塊
• TCB（Thread control block)
  標誌執行緒存在的資料結構， 其中包含對執行緒管理需要的全部資訊．
• 內容
  執行緒標識、執行緒狀態
  排程引數、現場(通用暫存器,PC,SP)
• 存放位置
  使用者級執行緒：目態空間
  核心級執行緒：管態空間

（4）執行緒的屬性：併發性、共享性、動態性

• 輕型實體：只有一點必不可少的、能保證獨立執行的資源
• CPU排程的基本單位
• 可併發執行
• 共享程式資源

（5）執行緒的優點

• 快速切換；
• 易於通訊；
• 並行度高；
• 節省記憶體；
• 減少管理開銷。

（6）執行緒的基本狀態

• 執行狀態
• 就緒狀態
• 阻塞狀態

（7）執行緒的建立和終止

• 執行緒的建立
  利用執行緒建立函式(或系統呼叫)；
  建立成功後，返回一個執行緒識別符號。

• 執行緒的終止方式
  自願退出
  被其它執行緒強行終止

（8）執行緒與程式的比較

• 執行緒：作為CPU排程單位。
  執行緒只擁有必不可少的資源，如：執行緒狀態、暫存器上下文和棧
  同樣具有就緒、阻塞和執行三種基本狀態
• 程式：其它資源分配單位（儲存器、檔案、IO等）。
• 排程：執行緒作為CPU排程的基本單位，而程式只作為其它資源分配單位。
• 併發性：程式之間可以併發，且一個程式的多個執行緒之間亦可併發。
• 擁有資源：程式間相互獨立，同一程式的各執行緒間共享資源。某程式內的執行緒在其它程式不可見。
• 系統開銷：執行緒上下文切換比程式上下文切換要快得多。

練習題

1. 執行緒機制中，一個程式可以對應多個執行緒，一個執行緒也可以對應若干個程式。
解答： 錯！
一個程式可以擁有若干個執行緒，執行緒從屬於該程式，同一程式內所有執行緒共享該程式的地址空間，而不同程式之間的地址空間是完全獨立的，如果一個執行緒可以對應若干個程式，那麼也就意味著不同程式之間的地址空間可以共享，這顯然是不合適的。

2.執行緒的實現及控制

• 使用者級執行緒——User-level thread
• 核心級執行緒——Kernel-level thread
• 混合執行緒——Hybrid approach

（1）使用者級執行緒和核心支援執行緒

• 核心支援執行緒，它們是依賴於核心的，即無論是使用者程式中的執行緒，還是系統程式中的執行緒，它們的建立、撤消、切換都由核心實現。
• 使用者級執行緒，對於這種執行緒的建立、撤消、和切換，都不用系統呼叫來實現。核心並不知道使用者級執行緒的存在。

（2）核心級執行緒

• 所有執行緒管理由核心完成
• 沒有執行緒庫，但核心提供API
• 核心維護程式和執行緒的上下文
• 執行緒之間的切換需要核心支援
• 以執行緒為基礎進行排程
  
  當一個執行緒想去建立一個新執行緒或撤消已存在的執行緒時，它發出一個核心呼叫，完成建立和回收工作。
  實現方法：
• 基於系統呼叫
• 建立、撤銷、狀態轉換由作業系統完成

優點：

• 對多處理器，核心可以同時排程同一程式的多個執行緒
• 某執行緒阻塞，其它執行緒仍可執行

缺點：

• 應用程式執行緒在使用者態執行，而執行緒排程和管理在核心實現,在同一程式中，控制權從一個執行緒傳送到另一個執行緒時需要使用者態-核心態-使用者態的模式切換，系統開銷較大。
• 排程演算法不能靈活控制

（3）使用者級執行緒

執行時系統：用於管理和控制執行緒的函式集合。
（4）執行緒庫
提供執行緒執行管理系統：

• 建立、撤消執行緒
• 線上程之間傳遞訊息和資料
• 排程執行緒執行
• 保護和恢復執行緒上下文

使用者級的執行緒庫能在不支援執行緒的作業系統中實現執行緒

• 切換效率高
• 允許每一個程式有自已定製的排程演算法

實現方法：

• 基於library函式，系統不可見
• 執行緒建立、撤銷、狀態轉換在目態完成
• TCB在使用者空間，每個程式一個系統棧

優點：

• 不依賴於作業系統，排程靈活
• 切換無須從目態到管態，速度快
• ULT可執行在任何作業系統上（只需要執行緒庫），可以在一個不支援執行緒的OS上實現

缺點：

• 核心只將處理器分配給程式，在多處理機中同一程式中多個執行緒不能真正並行
• 一個執行緒進入系統受阻，程式中其它執行緒不能執行

例題

1. 設程式A擁有1個使用者級執行緒，程式B擁有100個使用者級執行緒，則在系統排程時各佔用幾個時間片？
答：1個
2. 設程式A擁有1個核心級執行緒，程式B擁有100個核心級執行緒，則在系統排程時各佔用幾個時間片？
答：A:1個;B:100個

使用者級執行緒與核心級執行緒的比較

（5）混合執行緒

• 在混合式執行緒系統中，核心支援KLT多執行緒的建立、排程和管理；
• 同時,也提供執行緒庫，允許使用者應用程式建立、排程和管理ULT；
• 一個應用程式的多個ULT對映成一些KLT,程式設計師可按應用需要和機器配置調整KLT數目，以達到較好效果；
• 混合式中，一個應用中的多個執行緒能同時在多處理器上並行執行，且阻塞一個執行緒時並不需要封鎖整個程式。如果設計得當，混合式多執行緒機制能夠結合了兩者優點，捨去缺點。

練習題

1. 在以下描述中，（C）並不是多執行緒系統的特長。
A. 利用執行緒並行地執行矩陣的乘法運算
B. Web伺服器利用執行緒響應HTTP請求
C. 鍵盤驅動程式為每一個正在執行的應用配備一個執行緒，用以響應該應用的鍵盤輸入
D. 基於GUI的除錯程式用不同的執行緒分別處理使用者輸入、計算和跟蹤等操作

2. 同一程式中的多個執行緒有哪些成分是共用的，哪些成分是私用的？
答： 執行緒的公有成分包括:
程式碼區、資料區、動態堆空間。
執行緒的私有成分包括：
執行緒控制塊；
一個執行棧；
執行時動態分給執行緒的暫存器。

3. [2012考研試題 31]下列關於程式和執行緒的敘述中，正確的是(A)
A．不管系統是否支援執行緒，程式都是資源分配的基本單位
B．執行緒是資源分配的基本單位，程式是排程的基本單位
C．系統級執行緒和使用者級執行緒的切換都需要核心的支援
D．同一程式中的各個執行緒擁有各自不同的地址空間

4. 在支援多執行緒的系統中，程式P建立的若干執行緒不嗯呢該共享的事（D）
A.程式的程式碼段
B.程式P中開啟的檔案
C.程式P的全域性變數
D.程式P中某執行緒的棧指標

5. 下列對執行緒的描述中，(B)是錯誤的。
A．不同的執行緒可執行相同的程式
B．執行緒是資源分配單位
C．執行緒是排程和執行單位
D．同一程式中的執行緒可共享該程式的主存空間

6. 以下說法中哪個是正確的？（C）
A.執行緒是程式中可獨立執行的子任務，一個程式可以包含一個或多個執行緒，一個執行緒可以屬於一個或多個程式。
B.執行緒又稱為輕型程式，因為執行緒都比程式小。
C.多執行緒技術具有明顯的優越性，如速度快、通訊簡便、並行性高等。
D.由於執行緒不作為資源分配單位，執行緒之間可以無約束地並行執行。

**7.**程式與執行緒的根本區別是（C）
A．程式要佔用一個程式控制塊，開銷較大，而執行緒無此開銷
B．程式會增加死鎖的機會，而執行緒有效避免了這一問題
C. 程式是資源分配單位，而執行緒是排程和執行的單位
D. 程式是排程和執行的單位，而執行緒是資源分配單位

8. 使用者級執行緒執行時，同一程式不同執行緒的切換不需要核心支援。
答： 正確

9. 在支援執行緒的作業系統中，同一個程式中的各個執行緒共享該程式的使用者棧。
答： 錯誤