多线程技术&KLT与ULT&多线程实现混合策略

Posted 2021-04-21 IOput

单线程结构进程

•传统进程是单线程结构进程

单线程结构进程的问题

单线程结构进程在并发程序设计上存在的问题:

• 进程切换开销大

• 进程通信开销大

• 限制了进程并发的粒度

• 降低了并行计算的效率

解决问题的思路

• 把进程的两项功能，即“独立分配资源”与“被调度分派执行”分离开来

• 进程作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切换；

• 线程作为系统调度和分派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换

• 线程的出现会减少进程并发执行所付出的时空开销，使得并发粒度更细、并发性更好

多线程结构进程

多线程环境下进程的概念

在多线程环境中，进程是操作系统中进行保护和资源分配的独立单位。具有:

•对进程、文件和设备的存取保护机制

多线程环境下线程的概念

线程是进程的一条执行路径，是调度的基本单位，同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源。它具有：

• 线程执行状态

• 受保护的线程上下文，当线程不运行时，用于存储现场信息

• 独立的程序指令计数器

• 执行堆栈

• 容纳局部变量的静态存储器

多线程环境下线程的状态与调度

线程状态有运行、就绪和睡眠，无挂起

与线程状态变化有关的线程操作有：

孵化、封锁、活化、剥夺、指派、结束

OS感知线程环境下：

处理器调度对象是线程

进程没有三状态（或者说只有挂起状态）

OS不感知线程环境下：

处理器调度对象仍是进程

用户空间中的用户调度程序调度线程

并发多线程程序设计的优点

• 快速线程切换

• 减少（系统）管理开销

•（线程）通信易于实现

• 并行程度提高

• 节省内存空间

多线程技术的应用

• 前台和后台工作

• C/S应用模式

• 加快执行速度

• 设计用户接口

内核级线程KLT, Kernel-Level Threads

线程管理的所有工作由OS内核来做

OS提供了一个应用程序设计接口API，供开发者使用KLT

OS直接调度KLT

内核级线程的特点

• 进程中的一个线程被阻塞了，内核能调度同一进程的其它线程占有处理器运行

• 多处理器环境中，内核能同时调度同一进程中多个线程并行执行

• 内核自身也可用多线程技术实现，能提高操作系统的执行速度和效率

• 应用程序线程在用户态运行，线程调度和管理在内核实现，在同一进程中，控制权从一个线程传送到另一个线程时需要模式切换，系统开销较大

用户级线程ULT, User-Level Threads

用户空间运行的线程库，提供多线程应用程序的开发和运行支撑环境

任何应用程序均需通过线程库进行程序设计，再与线程库连接后运行

线程管理的所有工作都由应用程序完成，内核没有意识到线程的存在

用户级线程的特点

• 所有线程管理数据结构均在进程的用户空间中，线程切换不需要内核模式，能节省模式切换开销和内核的宝贵资源

• 允许进程按应用特定需要选择调度算法，甚至根据应用需求裁剪调度算法

• 能运行在任何OS上，内核在支持ULT方面不需要做任何工作

• 不能利用多处理器的优点，OS调度进程，仅有一个ULT能执行

• 一个ULT的阻塞，将引起整个进程的阻塞

Jacketing技术

•把阻塞式系统调用改造成非阻塞式的

•当线程陷入系统调用时，执行jacketing程序

•由jacketing 程序来检查资源使用情况，以决定是否执行进程切换或传递控制权给另一个线程

用户级线程 vs. 内核级线程

• ULT适用于解决逻辑并行性问题

• KLT适用于解决物理并行性问题

多线程实现的混合式策略

线程创建是完全在用户空间做的

单应用的多个ULT可以映射成一些KLT，通过调整KLT数目，可以达到较好的并行效果

多线程实现混合式策略的特点

• 组合用户级线程/内核级线程设施

• 线程创建完全在用户空间中完成，线程的调度和同步也在应用程序中进行

• 一个应用中的多个用户级线程被映射到一些(小于等于用户级线程数目)内核级线程上

• 程序员可以针对特定应用和机器调节内核级线程的数目，以达到整体最佳结果

• 该方法将会结合纯粹用户级线程方法和内核级线程方法的优点，同时减少它们的缺点

线程混合式策略下的线程状态

• KLT三态，系统调度负责

• ULT三态，用户调度负责

• 活跃态ULT代表绑定KLT的三态

• 活跃态ULT运行时可激活用户调度

• 非阻塞系统调用可使用Jacketing启动用户调度，调整活跃态ULT

多线程实现的各种策略总结

NUM446

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