操作系统-线程的实现方式

线程的实现方式

线程已在许多系统中实现，但各系统的实现方式并不完全相同，有的系统，特别是一些数据库管理系统，如infomix所实现的是用户级线程，另一些系统实现的是内核支持线程或同时实现内核支持线程和用户支持线程

内核支持线程KST（Kernel Supported Threads）

• 描述：
  在OS中的所有进程，无论是系统进程还是用户进程，都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。而内核支持线程同样是在内核的支持下运行的，它们的创建、阻塞、撤销、和切换等，也都是在内核空间实现的。为了对内核线程进行控制和管理，在内核空间也为每一个内核线程设置了一个线程控制块，内核根据该控制块而感知某线程的存在，并对其加以控制。目前大多数OS都支持线程。

• 优点：

  1. 在多处理机系统中，内核能够同时调度同一进程中的多个线程并行执行
  2. 如果进程中的一个线程被阻塞了，内核可以调度该进程中的其他线程占有处理机运行，也可以运行其他进程中的线程
  3. 内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程的切换比较快，切换开销小
  4. 内核本身也可以采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率

• 缺点：
  对于用户的线程切换而言，其模式切换的开销比较大，在同一个进程中，从一个线程切换到另一个线程时，需要从用户态转到核心态进行，这是因为用户进程的线程在用户态运行，而线程的调度和管理是在内核实现的，系统开销较大

用户级线程ULT（User Level Threads）

• 描述：
  用户级线程是在用户空间中实现的。线程的创建、撤销、同步、通信等功能，无需内核支持，即用户级线程与内核无关，这些线程的任务控制块都是设置在用户空间，而线程所执行的操作无需内核的帮助，因而内核完全不知道用户线程的存在

• 优点：

  1. 线程的切换不需要转到内核空间，节省了模式切换的开销
  2. 调度算法可以由进程根据需要，对自己的线程选择调度算法进行管理和调度，而与OS的低级调度算法无关
  3. 用户级线程的实现与OS平台无关，因为对于线程管理的代码是属于用户程序的一部分，因此用户级线程甚至可以在不支持线程机制的操作平台上实现

• 缺点：

  1. 系统调用阻塞问题，再基于进程机制的OS中，大多数系统调用将使进程阻塞，因此当线程执行一个系统调用时，不仅该线程被阻塞，而且进程内的所有线程会被阻塞。而内核支持线程中的其他线程依然能运行

  2. 不能利用多处理机进行多重处理的优点，内核每次分配给一个进程的仅有一个CPU，因此，进程中仅有一个线程能执行，在该线程放弃CPU前，其他线程只能等待

组合方式

• 用户级线程通过时分多路复用内核支持线程来实现。组合方式的线程中，同一个进程内多个线程可以同时在多处理机上并行执行，并且阻塞一个线程，不需要把整个线程都阻塞

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线程的实现

内核支持线程的实现

• 系统在创建一个新进程的时候，便为其分配一个任务数据区PTDA（Per Task Data Area），其中包含若干个线程控制块TCB空间，这些TCB及其所在的任务数据区被保存到内核中，每当进程创建一个线程时，便为线程分配PDTA中的一个TCB，将有关信息填入到该TCB中，并为其分配其运行时所需的必要资源

用户级线程的实现

• 用户级线程是在用户空间实现的，所有的用户级线程都具有相同的结构，它们都运行在一个中间系统上，当前有两种方式实现中间系统，即运行时系统和内核控制线程