操作系統筆記-3-線程

多線程出現

傳統的進程都是單線程的程序。我們總是希望自己的程序有更高的並行性，傳統進程也是有辦法實現這種並行性，那就是通過子進程，但是子進程是獨立的數據空間，很多時候程序的不同任務都是需要訪問相同數據的，因此子進程有很大的侷限性。

在這種需求場景下，多線程出現了，它彌補了子進程的缺陷，因爲進程內的線程共享進程的資源，可以很容易實現數據共享。

線程概念

線程在進程內部，它共享進程的地址空間。

線程屬性

線程共享執行代碼，data分段和打開的文件。但是有獨立寄存器、程序計數器、狀態和棧。第一列是線程共享的進程屬性，第二列是線程獨立的屬性。

線程和進程關係

下圖是一個進程包含3個線程

線程狀態

同傳統進程一致

多線程實現

用戶態多線程

• 用戶態多線程結構
  
  1. Run-Time System：用戶態實現的多線程，線程的創建、調度、銷燬都是在用戶態，因此運行時系統負責管理線程調度，每個進程都有一個運行時系統
  2. Thread table：線程表，記錄當前進程擁有的線程
• 用戶態多線程的優點
  1. 線程切換不需要切換上下文
  2. 線程切換不需要刷新緩存
  3. 可以在不支持線程的系統中實現多線程
• 用戶態多線程的缺點
  1. 雖然實現了多線程，但是因爲對系統是透明的，系統並不知道進程是多線程，因此用戶態多線程並不能真正並行，只能利用單核
  2. 阻塞系統調用，當進程的一個線程調用了阻塞系統調用時，整個進程都會陷入阻塞狀態。內核線程阻塞了之後，無法通知進程運行時系統線程調度器導致的進程阻塞。解決方案是jacket，將阻塞系統調用替換爲非阻塞系統調用，比如同步的I/O替換爲異步I/O
  3. 缺頁中斷也會導致進程阻塞
  4. 用戶態線程因爲沒有時鐘中斷，因此不能實現輪轉調度

內核態多線程

• 內核態多線程結構
  
  1. 內核線程由系統調度
  2. 線程表，在內核空間
• 內核態多線程優點
  1. 可以利用多核cpu，能真正提升進程的並行
  2. 阻塞系統調用問題不會導致進程阻塞，因爲內核多線程是由系統調用，系統管理着線程，因此知道線程已阻塞，就可以調度其他線程執行
  3. 缺頁中斷時可以切換其他線程執行
• 內核態多線程缺點
  1. 內核線程每次切換都會陷入內核，從用戶態切換到內核態，這個過程是有開銷的
  2. 創建和銷燬線程開銷，線程複用
  3. 信號是發送給進程而不是線程
  4. 當線程創建新的進程時，新進程屬性（含有線程數）問題

混合實現

• 混合實現結構
  混合模式下，一個內核進程可以映射多個用戶態線程
  
• 混合實現的優點
  實現了最大的靈活性

線程調度激活機制

• 線程調度激活機制結構
  
• 避免阻塞
  爲了避免用戶態線程在調用阻塞系統調用時阻塞進程，內核在發現線程執行阻塞調用時會通過upcall通知進程，進程run-time system設置當前線程爲block狀態，然後調度其他線程運行；當阻塞操作調用完成會再次通知進程，run-time system可以選擇立即運行或者加入就緒隊列
• 硬件中斷
  如果進程對該中斷不感興趣，可能是其他進程的I/O完成，run-time system可以忽略，然後恢復線程到中斷前的狀態繼續運行；如果進程對該中斷感興趣，比如可能是某個線程的缺頁加載完成，此時運行哪個線程取決於run-time system

多線程程序設計的挑戰

識別任務

識別出可以獨立、併發的任務，可以獨立運行在多核處理器上

平衡

考慮多核運行是否值得， 根據Amdahl定律，一個應用通過增加cpu可以獲得的加速，S代表任務必須串行執行佔比，N代表核心數

一個例子，橫座標是核心數，縱座標是加速倍數，曲線代表不同必須串行執行佔比在不同核心數下的加速

數據劃分

如果應用劃分爲獨立的任務，那麼任務訪問和操作的數據必須劃分到不同的cpu上

數據依賴

如果並行的任務訪問的數據之間有依賴，需要同步機制來保證數據一致性，在後續的筆記中會詳細介紹線程同步

測試和調試

當應用是由多線程實現時，測試和調試都比較困難

多線程應用舉例

Java的多線程模型

瞭解完多線程後，很好奇Java的多線程模型是怎麼實現的呢？JVM中並沒有說明Java的多線程是用戶態實現還是內核態實現。網上查了一番資料後，感覺知乎的R大的回答比較靠譜一點，鏈接。在較新的Hotspot VM，在除了Solaris的平臺上實現的是1:1的模型，也就是內核態實現多線程。感興趣的可以點擊上面的鏈接查看詳情。

Go語言的goroutine

Go語言中的goroutine就是一種用戶態多線程，它有自己實現的調度器。

總結

多線程在提升性能的同時也給編程帶來了複雜性。不過在開發過程中，不管是用什麼語言，都會經過一些封裝，使其可用性更高。比如Java的JUC下的線程池，它已經封裝了很多細節，讓我們只需要關注任務和數據的拆分，而不用關注多線程實現的細節。

參考

1. 《Modern Operating Systems》第4版
2. 《Operating System Concepts》第10版
3. JVM中的線程模型是用戶級的麼？
4. Golang 的 goroutine 是如何實現的？