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万字长文带你还原进程和线程(四)

简介: 我们平常说的进程和线程更多的是基于编程语言的角度来说的,那么你真的了解什么是线程和进程吗?那么我们就从操作系统的角度来了解一下什么是进程和线程。
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POSIX 线程

为了使编写可移植线程程序成为可能,IEEE 在 IEEE 标准 1003.1c 中定义了线程标准。线程包被定义为 Pthreads。大部分的 UNIX 系统支持它。这个标准定义了 60 多种功能调用,一一列举不太现实,下面为你列举了一些常用的系统调用。

POSIX线程(通常称为pthreads)是一种独立于语言而存在的执行模型,以及并行执行模型。它允许程序控制时间上重叠的多个不同的工作流程。每个工作流程都称为一个线程,可以通过调用POSIX Threads API来实现对这些流程的创建和控制。可以把它理解为线程的标准。

POSIX Threads 的实现在许多类似且符合POSIX的操作系统上可用,例如 FreeBSD、NetBSD、OpenBSD、Linux、macOS、Android、Solaris,它在现有 Windows API 之上实现了pthread

IEEE 是世界上最大的技术专业组织,致力于为人类的利益而发展技术。

线程调用描述
pthread_create创建一个新线程
pthread_exit结束调用的线程
pthread_join等待一个特定的线程退出
pthread_yield释放 CPU 来运行另外一个线程
pthread_attr_init创建并初始化一个线程的属性结构
pthread_attr_destory删除一个线程的属性结构

所有的 Pthreads 都有特定的属性,每一个都含有标识符、一组寄存器(包括程序计数器)和一组存储在结构中的属性。这个属性包括堆栈大小、调度参数以及其他线程需要的项目。

新的线程会通过 pthread_create 创建,新创建的线程的标识符会作为函数值返回。这个调用非常像是 UNIX 中的 fork 系统调用(除了参数之外),其中线程标识符起着 PID 的作用,这么做的目的是为了和其他线程进行区分。

当线程完成指派给他的工作后,会通过 pthread_exit 来终止。这个调用会停止线程并释放堆栈。

一般一个线程在继续运行前需要等待另一个线程完成它的工作并退出。可以通过 pthread_join 线程调用来等待别的特定线程的终止。而要等待线程的线程标识符作为一个参数给出。

有时会出现这种情况:一个线程逻辑上没有阻塞,但感觉上它已经运行了足够长的时间并且希望给另外一个线程机会去运行。这时候可以通过 pthread_yield 来完成。

下面两个线程调用是处理属性的。pthread_attr_init 建立关联一个线程的属性结构并初始化成默认值,这些值(例如优先级)可以通过修改属性结构的值来改变。

最后,pthread_attr_destroy 删除一个线程的结构,释放它占用的内存。它不会影响调用它的线程,这些线程会一直存在。

为了更好的理解 pthread 是如何工作的,考虑下面这个例子

#include <pthread.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define NUMBER_OF_THREADS 10void *print_hello_world(vvoid *tid){
  /* 输出线程的标识符,然后退出 */printf("Hello World. Greetings from thread %d\n",tid);
  pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc,char *argv[]){
  /* 主程序创建 10 个线程,然后退出 */pthread_t threads[NUMBER_OF_THREADS];
  int status,i;
    
  for(int i = 0;i < NUMBER_OF_THREADS;i++){
    printf("Main here. Creating thread %d\n",i);
    status = pthread_create(&threads[i], NULL, print_hello_world, (void *)i);
    
    if(status != 0){
      printf("Oops. pthread_create returned error code %d\n",status);
      exit(-1);
    }
  }
  exit(NULL);
}

主线程在宣布它的指责之后,循环 NUMBER_OF_THREADS 次,每次创建一个新的线程。如果线程创建失败,会打印出一条信息后退出。在创建完成所有的工作后,主程序退出。

线程实现

主要有三种实现,一种是在用户空间中实现线程,一种是在内核空间中实现线程,一种是在用户和内核空间中混合实现线程。下面我们分开讨论一下

在用户空间中实现线程

第一种方法是把整个线程包放在用户空间中,内核对线程一无所知,它不知道线程的存在。所有的这类实现都有同样的通用结构

微信图片_20220412212058.png

线程在运行时系统之上运行,运行时系统是管理线程过程的集合,包括前面提到的四个过程:pthread_create, pthread_exit, pthread_join 和 pthread_yield。

运行时系统(Runtime System) 也叫做运行时环境,该运行时系统提供了程序在其中运行的环境。此环境可能会解决许多问题,包括应用程序内存的布局,程序如何访问变量,在过程之间传递参数的机制,与操作系统的接口等等。编译器根据特定的运行时系统进行假设以生成正确的代码。通常,运行时系统将负责设置和管理堆栈,并且会包含诸如垃圾收集,线程或语言内置的其他动态的功能。

在用户空间管理线程时,每个进程需要有其专用的线程表(thread table),用来跟踪该进程中的线程。这些表和内核中的进程表类似,不过它仅仅记录各个线程的属性,如每个线程的程序计数器、堆栈指针、寄存器和状态。该线程标由运行时系统统一管理。当一个线程转换到就绪状态或阻塞状态时,在该线程表中存放重新启动该线程的所有信息,与内核在进程表中存放的信息完全一样。

在用户空间实现线程的优势

在用户空间中实现线程要比在内核空间中实现线程具有这些方面的优势:考虑如果在线程完成时或者是在调用 pthread_yield 时,必要时会进程线程切换,然后线程的信息会被保存在运行时环境所提供的线程表中,进而,线程调度程序来选择另外一个需要运行的线程。保存线程的状态和调度程序都是本地过程,所以启动他们比进行内核调用效率更高。因而不需要陷入内核,也就不需要上下文切换,也不需要对内存高速缓存进行刷新,因为线程调度非常便捷,因此效率比较高。

在用户空间实现线程还有一个优势就是它允许每个进程有自己定制的调度算法。例如在某些应用程序中,那些具有垃圾收集线程的应用程序(知道是谁了吧)就不用担心自己线程会不会在不合适的时候停止,这是一个优势。用户线程还具有较好的可扩展性,因为内核空间中的内核线程需要一些表空间和堆栈空间,如果内核线程数量比较大,容易造成问题。

在用户空间实现线程的劣势

尽管在用户空间实现线程会具有一定的性能优势,但是劣势还是很明显的,你如何实现阻塞系统调用呢?假设在还没有任何键盘输入之前,一个线程读取键盘,让线程进行系统调用是不可能的,因为这会停止所有的线程。所以,使用线程的一个目标是能够让线程进行阻塞调用,并且要避免被阻塞的线程影响其他线程

与阻塞调用类似的问题是缺页中断问题,实际上,计算机并不会把所有的程序都一次性的放入内存中,如果某个程序发生函数调用或者跳转指令到了一条不在内存的指令上,就会发生页面故障,而操作系统将到磁盘上取回这个丢失的指令,这就称为缺页故障。而在对所需的指令进行读入和执行时,相关的进程就会被阻塞。如果只有一个线程引起页面故障,内核由于甚至不知道有线程存在,通常会吧整个进程阻塞直到磁盘 I/O 完成为止,尽管其他的线程是可以运行的。

在用户空间实现线程的另外一个问题是,如果一个线程开始运行,该线程所在进程中的其他线程都不能运行,除非第一个线程自愿的放弃 CPU,在一个单进程内部,没有时钟中断,所以不可能使用轮转调度的方式调度线程。除非其他线程能够以自己的意愿进入运行时环境,否则调度程序没有可以调度线程的机会。

在内核中实现线程

现在我们考虑使用内核来实现线程的情况,此时不再需要运行时环境了。另外,每个进程中也没有线程表。相反,在内核中会有用来记录系统中所有线程的线程表。当某个线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时,它会进行一个系统调用,这个系统调用通过对线程表的更新来完成线程创建或销毁工作。

微信图片_20220412212103.png

内核中的线程表持有每个线程的寄存器、状态和其他信息。这些信息和用户空间中的线程信息相同,但是位置却被放在了内核中而不是用户空间中。另外,内核还维护了一张进程表用来跟踪系统状态。

所有能够阻塞的调用都会通过系统调用的方式来实现,当一个线程阻塞时,内核可以进行选择,是运行在同一个进程中的另一个线程(如果有就绪线程的话)还是运行一个另一个进程中的线程。但是在用户实现中,运行时系统始终运行自己的线程,直到内核剥夺它的 CPU 时间片(或者没有可运行的线程存在了)为止。

由于在内核中创建或者销毁线程的开销比较大,所以某些系统会采用可循环利用的方式来回收线程。当某个线程被销毁时,就把它标志为不可运行的状态,但是其内部结构没有受到影响。稍后,在必须创建一个新线程时,就会重新启用旧线程,把它标志为可用状态。其实在用户空间也可以循环利用线程,但是由于用户空间创建或者销毁线程开销小,因此没有必要。

如果某个进程中的线程造成缺页故障后,内核很容易的就能检查出来是否有其他可运行的线程,如果有的话,在等待所需要的页面从磁盘读入时,就选择一个可运行的线程运行。这样做的缺点是系统调用的代价比较大,所以如果线程的操作(创建、终止)比较多,就会带来很大的开销。

混合实现

结合用户空间和内核空间的优点,设计人员采用了一种内核级线程的方式,然后将用户级线程与某些或者全部内核线程多路复用起来

微信图片_20220412212107.png

在这种模型中,编程人员可以自由控制用户线程和内核线程的数量,具有很大的灵活度。采用这种方法,内核只识别内核级线程,并对其进行调度。其中一些内核级线程会被多个用户级线程多路复用。

总结

这篇文章为你讲述操作系统的层面来说,进程和线程分别是什么?进程模型和线程模型的区别,进程和线程的状态、层次结构、还有许多的专业术语描述。

下一篇文章我们会把目光放在进程间如何通信上,也是操作系统级别多线程的底层原理,敬请期待。


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文章参考:

《现代操作系统》

《Modern Operating System》forth edition

https://www.encyclopedia.com/computing/news-wires-white-papers-and-books/interactive-systems

https://j00ru.vexillium.org/syscalls/nt/32/

https://www.bottomupcs.com/process_hierarchy.xhtml

https://en.wikipedia.org/wiki/Runtime_system

https://en.wikipedia.org/wiki/Execution_model

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