多線程編程之：Linux線程概述

9.1 Linux線程概述

9.1.1 線程概述

前面已經(jīng)提到，進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)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(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較復(fù)雜的上下文切換等動作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間，支持多處理器以及減少上下文切換開銷，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線程。它是進(jìn)程內(nèi)獨(dú)立的一條運(yùn)行路線，處理器調(diào)度的最小單元，也可以稱為輕量級進(jìn)程。線程可以對進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源進(jìn)行訪問，并與同一進(jìn)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(jìn)程小很多。

同進(jìn)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(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，也就是有多個(gè)線程控制表及堆棧寄存器，但卻共享一個(gè)用戶地址空間。要注意的是，由于線程共享了進(jìn)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(jìn)程與進(jìn)程的關(guān)系如圖9.1所示。

圖9.1 進(jìn)程與線程關(guān)系

9.1.2 線程機(jī)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(yùn)行時(shí)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(gè)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(jìn)程進(jìn)行管理。如果一個(gè)進(jìn)程中的某一個(gè)線程調(diào)用了一個(gè)阻塞的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，那么該進(jìn)程包括該進(jìn)程中的其他所有線程也同時(shí)被阻塞。這種用戶級線程的主要缺點(diǎn)是在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)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(jìn)程。

輕量級進(jìn)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(gè)線程擁有一個(gè)或多個(gè)輕量級線程，而每個(gè)輕量級線程分別被綁定在一個(gè)內(nèi)核線程上。

(3)內(nèi)核線程。

這種線程允許不同進(jìn)程中的線程按照同一相對優(yōu)先調(diào)度方法進(jìn)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(gè)用戶級線程可以對應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)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(jī)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(jī)制大大加快上下文切換速度而且節(jié)省很多資源。但是因?yàn)樵谟脩魬B(tài)和內(nèi)核態(tài)均要實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理，所以會增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和引起優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的可能性。一個(gè)多線程程序的同步設(shè)計(jì)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