日期：2019/5/3
关键词：操作系统；线程。
一、线程与进程
进程的特点：
- 资源所有权：进程对资源（内存、I/O通道、I/O设备、文件等）具有控制权。
- 调度/执行：进程是OS调度和分派的实体。
1.1 多线程模型
关键点：
- TCB控制块：寄存器的值、程序计数器、栈指针、优先级等与线程相关的状态信息。
- 所有线程共享进程的状态和资源。例如，全局变量，文件描述符表。当一个线程以读权限打开文件，其他线程也能读取（无需重复open）
线程的优点：
- 创建或者终止线程时空效率高。（Unix中，创建线程比创建进程的时间快10倍）
- 线程切换比进程切换所花时间少。
- 通信效率高。进程需要内核介入才能通信。
二、线程模型分类
2大类：用户级线程（User Level Thread）和内核级线程（Kernel Level Thread）。
2.1 ULT
ULT线程管理由应用程序完成，内核意识不到线程的存在。（通信、调度等通过线程库实现）
ULT线程调度与进程调度的关系，也是ULT与KLT的本质区别。
| 初始状态： 线程库中：线程2运行 OS内核中：进程B运行 |
| 假设1：线程2进行了一个将会阻塞进程B的系统调用（例如IO操作）。那么： 内核把B阻塞，切换到另外一个进程。 但在线程库的角度看来，线程2仍处于运行状态。（但从CPU的角度看，不是真的运行） |
| 假设2：时钟中断到来，B用完其时间片，内核进行进程切换，B从运行转为就绪。但在线程库的角度看来，线程2仍处于运行状态。 |
| 假设3：线程2运行到需要线程1执行某些动作的一个点。（例如，1负责数据输入，2负责计算和输出这种情况） 线程2阻塞，线程库调度线程1运行。 |
总结：
- b-d的三种状态其实都是a的过渡。
- 在b和c中，内核把控制权切换到进程B，线程2就会回复执行。
- 进程在执行线程库代码时可被中断，在中断时可能处于线程切换状态。（进程被恢复时，才能完成线程切换）
ULT优点：
- 线程库在用户空间当中，线程切换不需要陷入内核。（节省2次上下文切换）
- 可以自定义线程调度算法。
- ULT可在任意OS中使用，不需要修改内核。
ULT缺点：
- 有一个ULT进行系统调用，那么所有线程都会阻塞。
- 纯ULT策略，多线程的程序不能使用CPU的多核技术。（因为内核调度的是进程，所以在纯ULT策略下，多线程并不是真的在并行）
2.2 KLT
纯KLT下，线程管理由内核完成，应用级没有线程管理的代码（只提供API）。
如上图4.5(b)，此时内核的调度单位是线程，一个线程阻塞，其他线程仍然在真的执行（前提CPU是多核）。
但线程调度需要陷入内核，时间花销更大。
一组对比实验：
- Null Fork：创建、调度、执行和完成调用一个空过程的进程/线程的时间。（派生一个线程/进程的开销）
- Signal-Wait：进程/线程给正在等待的进程/线程发信号，然后在某个条件上等待需要的时间。（完成一次同步的开销）
2.3 ULT+KLT组合方式
三、Linux的线程和进程管理
3.1 Linux进程
Linux中的进程/任务由一个task_struct表示，它包含以下信息：
- 进程的状态（执行、就绪、挂起、停止、僵死）
- 调度信息：一个进程可能是普通或实时的，并具有优先级，实时进程在普通进程之前调度。
- 标识符：PID，用户标识符和组标识符。组标识符用于给一组进程指定资源访问权。
- 进程通信：支持Unix SVR4通信。
- 链接：到达父子进程的链接。
- 时间和计时器：包括进程创建时刻和进程消耗CPU的时间总量。一个进程还可以有若干个间隔计时器，通过系统调用来定义，计时器满，OS会给该进程发送一个信号。计时器可以只使用一次或者多次。
- 文件系统：包括被该进程打开的任何文件的指针和指向该进程当前目录的指针。
- 地址空间：定义分配给该进程的虚拟地址空间。
- CPU专用上下文：寄存器、栈指针。
3.2 Linux线程
传统Linux内核：
- 单线程进程，不支持多线程
- 多线程程序需要用户线程库实现（也就是纯ULT策略），最著名的就是pthread库了。（所以即使在多核CPU环境下，使用pthread库写的多线程排序时间效率上并不比单线程好，因为这种情况下CPU调度进程（在CPU看来这个进程只有一个线程），实际上就是多个线程轮流使用CPU的某个核）
现代Linux内核：
- 不区分进程和线程
- 提供内核级线程的实现
- 将ULT映射到内核级进程
- 组成一个用户级进程的多个ULT则映射到共享同一个组ID的多个Linux内核进程上（这些进程可共享文件和内存等资源，使得同一个组的进程调度不需要上下文切换）。
fork底层是通过clone系统调用实现，将所有标志位清零。标志位如下：
当进行进程切换时，内核先检查当前进程的页目录地址是否与被调度的进程相同。若相同，则他们共享一个地址空间，此时上下文切换仅仅是PC指针的跳转。注意：clone可以使同一个进程组的克隆进程共享同一内存空间，但不能共享同一个用户栈，每个clone进程都有独立的栈。