9.1??Linux線(xiàn)程概述

9.1.1??線(xiàn)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(dòng)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(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線(xiàn)程。它是進(jìn)程內(nèi)獨(dú)立的一條運(yùn)行路線(xiàn)，處理器調(diào)度的最小單元，也可以稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程。線(xiàn)程可以對(duì)進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并與同一進(jìn)程中的其他線(xiàn)程共享。因此，線(xiàn)程的上下文切換的開(kāi)銷(xiāo)比創(chuàng)建進(jìn)程小很多。

同進(jìn)程一樣，線(xiàn)程也將相關(guān)的執(zhí)行狀態(tài)和存儲(chǔ)變量放在線(xiàn)程控制表內(nèi)。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線(xiàn)程，也就是有多個(gè)線(xiàn)程控制表及堆棧寄存器，但卻共享一個(gè)用戶(hù)地址空間。要注意的是，由于線(xiàn)程共享了進(jìn)程的資源和地址空間，因此，任何線(xiàn)程對(duì)系統(tǒng)資源的操作都會(huì)給其他線(xiàn)程帶來(lái)影響。由此可知，多線(xiàn)程中的同步是非常重要的問(wèn)題。在多線(xiàn)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(xiàn)程關(guān)系

9.1.2??線(xiàn)程機(jī)制的分類(lèi)和特性

線(xiàn)程按照其調(diào)度者可以分為用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程和核心級(jí)線(xiàn)程兩種。

（1）用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程。

用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程主要解決的是上下文切換的問(wèn)題，它的調(diào)度算法和調(diào)度過(guò)程全部由用戶(hù)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(huì)提供一個(gè)用戶(hù)空間的線(xiàn)程庫(kù)，該線(xiàn)程庫(kù)提供了線(xiàn)程的創(chuàng)建、調(diào)度和撤銷(xiāo)等功能，而內(nèi)核仍然僅對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理。如果一個(gè)進(jìn)程中的某一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)程也同時(shí)被阻塞。這種用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程的主要缺點(diǎn)是在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程的調(diào)度中無(wú)法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì)。

（2）輕量級(jí)進(jìn)程。

輕量級(jí)進(jìn)程是內(nèi)核支持的用戶(hù)線(xiàn)程，是內(nèi)核線(xiàn)程的一種抽象對(duì)象。每個(gè)線(xiàn)程擁有一個(gè)或多個(gè)輕量級(jí)線(xiàn)程，而每個(gè)輕量級(jí)線(xiàn)程分別被綁定在一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程上。

（3）內(nèi)核線(xiàn)程。

這種線(xiàn)程允許不同進(jìn)程中的線(xiàn)程按照同一相對(duì)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(shì)。

現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都采用用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程與核心級(jí)線(xiàn)程并存的方法。一個(gè)用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)核心級(jí)線(xiàn)程，也就是“一對(duì)一”或“多對(duì)一”模型。這樣既可滿(mǎn)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(kāi)銷(xiāo)。

使用線(xiàn)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?hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)均要實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理，所以會(huì)增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和引起優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的可能性。一個(gè)多線(xiàn)程程序的同步設(shè)計(jì)與調(diào)試也會(huì)增加程序?qū)崿F(xiàn)的難度。