多線(xiàn)程編程之：Linux線(xiàn)程概述

　　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)程是系統中程序執行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數據段、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)都需要有比較復雜的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機的空轉時(shí)間，支持多處理器以及減少上下文切換開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)程在演化中出現了另一個(gè)概念——線(xiàn)程。它是進(jìn)程內獨立的一條運行路線(xiàn)，處理器調度的最小單元，也可以稱(chēng)為輕量級進(jìn)程。線(xiàn)程可以對進(jìn)程的內存空間和資源進(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)的執行狀態(tài)和存儲變量放在線(xiàn)程控制表內。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)程對系統資源的操作都會(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)程機制的分類(lèi)和特性

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

　　(1)用戶(hù)級線(xiàn)程。

　　用戶(hù)級線(xiàn)程主要解決的是上下文切換的問(wèn)題，它的調度算法和調度過(guò)程全部由用戶(hù)自行選擇決定，在運行時(shí)不需要特定的內核支持。在這里，操作系統往往會(huì )提供一個(gè)用戶(hù)空間的線(xiàn)程庫，該線(xiàn)程庫提供了線(xiàn)程的創(chuàng )建、調度和撤銷(xiāo)等功能，而內核仍然僅對進(jìn)程進(jìn)行管理。如果一個(gè)進(jìn)程中的某一個(gè)線(xiàn)程調用了一個(gè)阻塞的系統調用函數，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)程的調度中無(wú)法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢。

　　(2)輕量級進(jìn)程。

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

　　(3)內核線(xiàn)程。

　　這種線(xiàn)程允許不同進(jìn)程中的線(xiàn)程按照同一相對優(yōu)先調度方法進(jìn)行調度，這樣就可以發(fā)揮多處理器的并發(fā)優(yōu)勢。

　　現在大多數系統都采用用戶(hù)級線(xiàn)程與核心級線(xiàn)程并存的方法。一個(gè)用戶(hù)級線(xiàn)程可以對應一個(gè)或幾個(gè)核心級線(xiàn)程，也就是“一對一”或“多對一”模型。這樣既可滿(mǎn)足多處理機系統的需要，也可以最大限度地減少調度開(kāi)銷(xiāo)。

　　使用線(xiàn)程機制大大加快上下文切換速度而且節省很多資源。但是因為在用戶(hù)態(tài)和內核態(tài)均要實(shí)現調度管理，所以會(huì )增加實(shí)現的復雜度和引起優(yōu)先級翻轉的可能性。一個(gè)多線(xiàn)程程序的同步設計與調試也會(huì )增加程序實(shí)現的難度。