OS复习笔记ch4

引言

上一章，我们学习了进程的相关概念和知识，不知道小伙伴们的学习进度如何，没看的小伙伴记得去专栏看完哦。

线程从何而来

我们之前说过，进程是对程序运行过程的抽象，它的抽象程度是比较高的。
一个进程往往对应一个程序。所以当我们需要登录多个QQ帐户的时候，打开了多个QQ.exe，OS创建了多个对应的进程，在每一个QQ进程中我们可以聊天和传输文件等。

但是，小伙伴们有没有想过这个问题，我们的程序绝大多数都是顺序执行的。只有少数开发语言执行会有异步的问题（比如JavaScript），绝大多数代码是按照我们书写的顺序，从上到下依次执行。
如果是这样的话，一个QQ.exe，它对应了一份代码（将相关的代码看成一个整体），那么它似乎就做不到可以同时聊天和传输文件了。
事实是这样吗？

---

显然，我们的QQ是十分智能的，它不仅可以一边上传文件、一边聊天、还能一边视频……，按照我们之前的逻辑这不对啊，QQ这一个程序怎么能同时执行多个模块的代码呢？
原因其实很简单，在QQ进程底下，会细分成处理聊天的线程、处理文件的线程、处理视频的线程，它们并发执行，类似于OS的多进程，而这就是我们线程的由来。

进程存在的问题

说到这，可能有小伙伴问了，竟然多线程和OS的多进程很像，为啥要多整了个线程的概念，直接创建进程不就行了吗？

---

这就不得不提进程存在的问题了

• 进程创建、切换开销大（服务器的成千上万的请求响应要创建进程、分配资源）
• 进程通信代价大：经过内核
• 进程间的并发性粒度较粗，并发度不高。
• 不适合并行计算和分布式并行计算的需求。

说白了，就是进程的抽象程度比较高，每次进程要做点啥事都要在内核里面执行，来回切换非常麻烦，效率也比较低。

解决方法

在讲解本节之前，就让我们回顾一下进程的两个重要特征

---

1. 资源的拥有者——进程包括容纳进程映像的虚拟地址空间
2. 调度和执行的单位——沿着执行轨迹与其他进程交替执行

以上两个特征独立的，构成进程并发的基础。

很容易想到，之前我们的进程通信、切换等都要经过内核主要是因为他们是调度和执行的基本单位。那为了提高进程切换和通信的效率，我们就要对这个基本单位动一点手脚。

当我们分别对待上述两个特征

• 将资源的拥有者继续作为进程，即资源分配和保护的基本单位，不需要频繁切换。
• 然后通过引入线程，作为调度和分派执行的基本单位。
  这样，不就完美解决了上述问题了吗，感觉自己很崇明的样子，嘿嘿。

于是乎，线程继承了进程的一些特征

其中

• 线程也有自己ID和控制块（TCB），实现思路和进程很像
• 具有运行、就绪、阻塞三种基本状态
• 有线程的上下文，也就是栈、堆、寄存器级别的信息
• 执行栈，用于存放运行的中间变量
• 共享所在进程的内存和资源，线程之间并发执行

既然我们的方案这么完美，那么这种设计到底有哪些优点呢？

---

• 已有进程内创建一个线程比创建全新进程用时少。
• 终止一个线程比进程用时少
• 同进程内线程的切换比进程切换用时少
• 线程提高了程序间的通信效率
• 减少并发执行的时间和空间的开销，提高并发程度。
• 适合多处理器系统。

线程分类

1. 用户级线程（User Level Thread，ULT）：应用程序负责所有线程的管理（内核不知用户级线程的存在）
2. 内核级线程/轻量进程（Kernel-Level Threads，KLT）：由OS管理的线程（类似于进程管理，对应于一个或者多个用户级线程）

ULT

如图所示

优：

• 无需用户态/核心态的切换
• 线程调度算法（线程库）可以针对应用优化

缺：
一个线程发起系统调用而被阻塞，则整个进程中的线程都被阻塞（CPU看不到线程级别，就阻塞给整个进程，而线程的状态来不及发生变化）。

KLT

如图所示

优：

• 内核可以同时在多处理器上调度进程的多个线程
• 一个线程被阻塞，内核可调度其他线程
• 内核例程也可以是多线程（比如，openEuler的2号进程）

缺：
同一个进程中一个线程切换到另一线程需要内核的模式切换。

两者结合

将ULT映射到KLT，在某些OS，例如Solaris系统是这样

取ULT和KLT的两者所长，有点像CO里面的组相联映射，既获得了仅有用户级线程的开销，又获得了仅有内核级线程的并发度，中庸之道妙哉妙哉。

多核和多线程（拓展）

多核系统的多线程支持

这里的speedup，f是程序并行部分占比，f/N是放在N个核上的时间，1-f是不可并行的时间。
这个公式表明，当增加更多的处理器时，总体的速度提升受到程序可并行化部分的比例的限制。如果 𝑓是一个较小的数，即使增加了很多处理器，总的速度提升也可能不大；如果 𝑓接
近1，也就是说程序几乎完全可以并行化，那么增加更多的处理器会显著提高速度。

图(a)–不考虑系统开销，1 - f = 0%、2%、5%、10%的各组对比实验，符合上述公式
图(b)–考虑系统开销，1 - f = 0%、2%、5%、10%的各组对比实验。
实际上，即使是完全可以并行化的程序（𝑓=1），并行处理的速度提升也不会接近处理器的数量 𝑁。这表明有一个性能的上限，即不管你有多少处理器，速度提升永远不会无限大。因为处理器的数量增多开销也会增大，比如增加处理器之间的通信、同步等，并行执行的额外成本。

此外，由于引入了多核，程序可以设计有了更多的可能，比如多线程，多进程，或者像Java这种一个进程多个线程，以及多个并行实例。

小结

本章节的知识和内容一般会和进程放在一起去考察，涉及到的概念也比较多，小伙伴们要像糖葫芦那样多串一串，这样有助于形成一个良好的知识体系。