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线程的来龙去脉,你了解吗?-万福金安的博客-51CTO博客

2019-10-12 13:36:44           
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进程最近有些烦恼,整日愁眉苦脸的,拜访内存的时候也有点心不在焉。

内存是个明眼人,开门见山的问道:“进程啊,最近遇到啥问题了?我看你最近情绪有点低落,有啥问题你就直接说出来嘛,我让大家伙儿来一起帮你想想办法。”

进程叹了口气,说道:“唉,最近不是说 CPU 单核频率到瓶颈了吗?人类就用多核芯来弥补单核处理器性能的不足,咱们的 CPU 不也升级到四核了嘛。”

“是啊,这是好事啊,现在最多能并行处理 4 个进程,效率比以前高多了,这还不好吗?”内存疑惑的问。

“好是好,可我每次上 CPU 运行的时候,都忍不住去想,要是单核频率不增加,我总的运行的时间不还是没有什么变化吗?以后的应用程序越来越大,越来越吃 CPU 资源,比如那些大型进程,在短时间内需要进行大量计算,靠单核撑不住怎么办。不谈以后,就说说我自己,我也想能够早点运行完,早点休息啊。”

tobe 注:很明显单进程的运行时间是变小了的,不过这里主要强调的是进程占用 CPU 的时间。

内存点点头,赞同道:“这个问题我倒是没想到,多核处理器对单个进程确实不大友好。那咱得想办法让你能够同时使用几个核心。不过我一时间也想不到什么好办法,还是和大家一起讨论下吧。”

在讨论会上,内存向大家说明了进程现在遇到的问题。

“一个进程怎么并行?”进程调度器第一个发出疑问:“我总不能把一个进程放在四个核上吧,这样不仅毫无意义,还阻碍了其他进程的执行。”

操作系统见多识广,说:“把进程一次放在几个核上运行肯定是不可能的,我在想,咱们的目标,其实就是让多个核心不冲突地帮助一个进程运行嘛。那我们就得把进程「拆开」,然后放在几个核上。”

操作系统一边说,一边画了张图:

进程拆分

“你们看,假如说 fun1 和 fun2 这两个函数互不关联,我们就可以让两个核同时执行他们,这不就做到并行了吗?”

“你的意思是说把一个进程拆成好几个进程?”

操作系统摇摇头:“不是拆成多个进程,进程切换的代价太大了,再说了,这些拆出来的函数,他们是共用一个地址空间的,天生就能够数据共享,如果拆成进程,我们还得再考虑进程之间的通信问题,那多麻烦。不过为了跟进程区分,就叫他们「线程(Thread)」吧”

进程一惊,要把自己拆成线程?那自己不就没了?赶忙问道:“那我岂不是没有存在的余地了?”

进程调度器也慌了:“要是没了进程,我是不是也要被退休了?”http://www.go007.com/dalian/yiyuanzhensuo/1c90387b279ed764.htm

操作系统赶忙解释道:你们误会了,我要拆开的,是进程的执行流,进程不是包含了资源所有权和执行流吗,资源所有权还是由进程来把控,执行流就分给几个线程,就像这样:

执行流

tobe 注:在进程模型里,进程拥有对内存、I/O 通道、I/O 设备和文件等资源的控制权,称之为「资源所有权」。「执行流」可以看做进程在 CPU 上的执行过程(直观一点就是高级语言里的语句)。

进程恍然大悟:“也就是说我仍然是资源的掌控者,那些线程就相当于帮我干活的小弟?”

“没错,而且从这种角度看,你本身还是一个单线程进程。”

听了这么久,内存发问了:“创建进程的时候,我要保存进程 PCB ,那为了创建线程,我是不是还得创建一个?TCB(Thread Control Block)?”

“当然了,线程切换需要的信息就得存在 TCB 里面。不过你放心,TCB 要比 PCB 小得多,所以线程切换会比进程切换快很多。”

多线程进程模型

大家听完,纷纷觉得「线程」这个模型完美的解决了当前的问题,说道:“要不我们现在就在操作系统里添上线程模型吧,早点解决进程的问题。”

但是操作系统面露难色,说:“线程模型只是我们的一个假想,贸然加进来的话,可能会出问题,系统崩溃可就不好了,还是要以稳定为主。。。但这个模型还是得试的,要不我们先创建一个线程库,靠一个用户级别的应用程序——线程调度器来管理这些线程吧。”

进程不解的问:“可是这样的话,我还是被分配在一个单独的核心上啊,即使是多线程,也只能在单核上运行。再说了,如果这些线程里有一个被阻塞,在你看来,是整个进程阻塞了,那其他线程,即使是就绪态,也得不到 CPU 资源。”

操作系统仔细想了下,说:“没办法,用户级线程确实有这两个缺点,但相比起让内核来实现线程,用户级线程也有他的好处——线程切换不需要我进行状态转换(从用户态到内核态),开销小,除此之外,线程库可以有多个调度算法,能够为应用程序量身定做调度算法。”

tobe 注:有一种解决线程阻塞的方案叫?jacketing,他可以把一个产生阻塞的系统调用转化成一个非阻塞的系统调用,比如说,不直接调用系统级的 I/O 例程,而是让线程调用应用级的 I/O jacket 例程,这个 jacket 例程会检查 I/O 设备是否忙,如果忙的话,就不执行 I/O 操作,转而调度其他线程,避免了因等待 I/O 设备而造成的进程阻塞。郑州不孕医院:http://jbk.39.net/yiyuanzaixian/zztjyy/


用户级线程很快投入使用,Linux系统中的 pthread(POSIX thread)库可以说是大获成功,操作系统做出了一项重大决定——支持内核级线程。

内核级线程解决了进程并行的问题,除此之外,由于内核看得到线程的存在,一个线程阻塞了,位于同一个进程中的其它线程仍然能够运行。

用户级线程和内核级线程

并行的问题解决了,进程表示自己十分开心。


希望你在看完我的文章之后有所收获。

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