9.1 Linux線程概述

9.1.1 線程概述

前面已經(jīng)提到，進程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個進程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進程在進行切換等操作時都需要有比較復雜的上下文切換等動作。為了進一步減少處理機的空轉(zhuǎn)時間，支持多處理器以及減少上下文切換開銷，進程在演化中出現(xiàn)了另一個概念——線程。它是進程內(nèi)獨立的一條運行路線，處理器調(diào)度的最小單元，也可以稱為輕量級進程。線程可以對進程的內(nèi)存空間和資源進行訪問，并與同一進程中的其他線程共享。因此，線程的上下文切換的開銷比創(chuàng)建進程小很多。

同進程一樣，線程也將相關(guān)的執(zhí)行狀態(tài)和存儲變量放在線程控制表內(nèi)。一個進程可以有多個線程，也就是有多個線程控制表及堆棧寄存器，但卻共享一個用戶地址空間。要注意的是，由于線程共享了進程的資源和地址空間，因此，任何線程對系統(tǒng)資源的操作都會給其他線程帶來影響。由此可知，多線程中的同步是非常重要的問題。在多線程系統(tǒng)中，進程與進程的關(guān)系如圖9.1所示。

圖9.1 進程與線程關(guān)系

9.1.2 線程機制的分類和特性

線程按照其調(diào)度者可以分為用戶級線程和核心級線程兩種。

(1)用戶級線程。

用戶級線程主要解決的是上下文切換的問題，它的調(diào)度算法和調(diào)度過程全部由用戶自行選擇決定，在運行時不需要特定的內(nèi)核支持。在這里，操作系統(tǒng)往往會提供一個用戶空間的線程庫，該線程庫提供了線程的創(chuàng)建、調(diào)度和撤銷等功能，而內(nèi)核仍然僅對進程進行管理。如果一個進程中的某一個線程調(diào)用了一個阻塞的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，那么該進程包括該進程中的其他所有線程也同時被阻塞。這種用戶級線程的主要缺點是在一個進程中的多個線程的調(diào)度中無法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢。

(2)輕量級進程。

輕量級進程是內(nèi)核支持的用戶線程，是內(nèi)核線程的一種抽象對象。每個線程擁有一個或多個輕量級線程，而每個輕量級線程分別被綁定在一個內(nèi)核線程上。

(3)內(nèi)核線程。

這種線程允許不同進程中的線程按照同一相對優(yōu)先調(diào)度方法進行調(diào)度，這樣就可以發(fā)揮多處理器的并發(fā)優(yōu)勢。

現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都采用用戶級線程與核心級線程并存的方法。一個用戶級線程可以對應一個或幾個核心級線程，也就是“一對一”或“多對一”模型。這樣既可滿足多處理機系統(tǒng)的需要，也可以最大限度地減少調(diào)度開銷。

使用線程機制大大加快上下文切換速度而且節(jié)省很多資源。但是因為在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)均要實現(xiàn)調(diào)度管理，所以會增加實現(xiàn)的復雜度和引起優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的可能性。一個多線程程序的同步設計與調(diào)試也會增加程序?qū)崿F(xiàn)的難度。

關(guān)鍵詞： Linux 多線程 內(nèi)核