7.用户级线程

Posted 2022-06-03 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.本文会介绍进程与线程的区别，线程切换，用户态线程，内核级线程等；

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【1】多进程回顾

问题：把进程pid1 切换到进程 pid2时，是否可以不切换进程内逻辑内存与物理内存地址映射表；

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【1.1】把资源和指令分开 

• 进程表示：执行中的程序，包含了计算机资源，执行指令；
• 资源指的是计算机资源，如内存；
• 指令指的是进程对应的程序指令；

1）引入线程：

• 保留了并发优点；避免了进程切换代价高的问题；

2）实际情况是：

• 进程内存与物理内存地址映射表不变，而PC指针变；

2）    进程与线程区别

• 2.1）进程：进程更大；在一个资源下面，启动了多个轻巧的指令序列，这几个指令序列还可以来回切换（交替执行）；
• 2.2）线程：指令序列；
• 2.3）切换成本：进程切换成本高，需要保存的东西很多；而线程切换很简单，因为线程仅保存了指令，不涉及计算机资源；线程切换不需要切换内存地址映射表，仅需要切换从一段指令序列跳转到另一段指令序列；

补充：

• 进程切换包含两部分，包括 指令切换（线程切换），计算机资源切换；而线程仅切换指令即可；这就是典型分治思想；

3）    多个执行序列（指令序列或线程）+一个地址空间是否实用？

一个网页浏览器，是一个进程包含多个线程，涉及的是线程切换；

• 线程1：接收服务器数据；
• 线程2：显示文本，把接收到的数据送入显存；
• 线程3：处理图片，解压缩；
• 线程4：显示图片，把图片数据送入显存；

【补充】进程切换与线程切换不同（多次强调，非常重要）

• 进程切换，包括资源和指令切换；如切换内存映射表（或内存地址空间）；
• 线程切换，指的是指令切换，所以它比较轻量；

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【1.2】实现线程切换的浏览器

1）pthread_create： 创建线程；
2）线程切换（交替执行）实现方式：

• getData() 线程下载数据后， 调用 yield() 让出cpu，让cpu执行其他线程如show();

3）yield线程切换函数

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【2】线程切换与栈的关系（栈是否切换？）

线程切换与栈的关系；

线程切换，栈是否也需要切换，不切换有没有问题？

 

1）执行序列：

线程1	线程2
// 1 100：A()   B();   104: // 3 200:B()   Yield();   204: // 右大括号是一条汇编指令 ret，地址404出栈，这是有问题的	// 2 300：C()   D();   304: 400:D()   Yield();   404;

上述执行过程是：

• 线程1 先执行，先后把内存地址 104 204 压栈；然后执行 yield；
• 同时 线程2也在执行，先后把内存地址 304 404 压栈；然后执行yield；
• 得到的栈内容如下：

2）栈：

序号	内存地址
1// 栈底	104
2	204
3	304
4	404

问题：

• 线程1执行完 yield() ，就应该执行204，结果栈顶弹出的元素是 404内存地址，这与指令预期不符，导致程序执行错误（同时线程2也有这个问题）；

3）如何解决问题

• 问题：因为2个线程共用同一个栈；
• 解决方法：所以1个线程单独1个栈；2个线程就是2个栈；

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【2.1】从一个栈到两个栈（每个线程各自1个栈）

1）执行序列

线程1	线程2
// 1 100：A()   B();   104: // 3 200:B()   Yield();   204:	// 2 Void yield()   找到300;   Jmp 300 400:D()   Yield();   404;

2）栈：

线程1	线程2
栈1： 104 204	栈2： 304 404

3）Yield进行线程切换时，还需要把栈1切换到栈2

void yield()   TCB2.esp= esp;    esp = TCB1.esp;   jmp 204; // 右大括号把指令地址弹出栈，接着执行地址保存的指令；

TCB：

• thread control block 线程控制块； 是一个全局结构体，用于存放每个线程对应栈的起始地址；

TCB1.esp：

• 指的是线程1的栈指针；

esp:

• 指的是物理扩展栈寄存器，用于存放栈的起始内存地址（线程栈地址）；

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【2.2】两个线程的样子

1）两个线程的样子：

• 两个TCB，两个栈，切换的PC在栈中；
• pc指的是 程序计数器，即下一条要执行指令的地址；

2）    线程创建函数 threadCreate的核心就是用程序实现这3样东西

• TCB，线程控制块；
• 栈；
• 栈与TCB关联；

3）代码如下：

Void threadCreate(A)   TCB *tcb = malloc(); // 申请内存赋值给TCB   *stack = malloc(); // 申请内容赋值给栈；   *stack = A; //100 // 为栈赋值 函数A的内存基址（起始地址）；   tcb.esp = stack;  // 把栈内容与TCB关联起来；

4）把线程切换的所有东西组合起来

【注意】上述内容介绍的是用户级线程的切换，内核级线程的切换放在后面讲；

线程分为用户级线程，内核级线程；

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【3】引入核心级线程 

1）为什么说用户级线程-yield是用户程序

线程1 是用户态线程；
线程1调用网卡io，网卡io阻塞，无法切换到 用户态线程2；而是切换到 其他进程2；

• 因为网卡io属于内核态程序，无法识别用户态线程，也就无法切换到用户线程2；

2）线程切换

• 内核态线程的切换：叫做schedule，调度；
• 用户态线程的切换：yield；

【总结】用户线程切换内容；

• 1个用户线程1个栈，1个TCB；
• TCB：线程控制块，用于存储当前线程的栈地址；
• 栈与TCB关联；

线程切换过程：

• 在用户线程切换时，首先切换TCB；
• 通过TCB.esp 可以获得栈；
• 从栈中弹出pc指针获得下一条要执行指令的地址，然后执行下一条指令；