操作系统 2.3-用户级线程

多进程的回顾

1. 多进程概念：

   • 操作系统能够同时管理多个进程（PID:1, PID:2, PID:3），每个进程可以独立执行一系列指令。

2. 进程结构：

   • 每个进程拥有自己的代码段、数据段、堆和栈。

   • 进程控制块（PCB）记录了进程的状态和上下文，如程序计数器（PC）、寄存器值（如ax, bx）等。

3. 内存管理：

   • 进程通过映射表管理虚拟地址到物理地址的转换，确保进程间的内存隔离。

4. 进程状态：

   • 进程可以处于不同的状态，如运行态、阻塞态（如等待磁盘I/O操作完成）。

5. 进程切换：

   • 操作系统负责在不同进程间进行切换，以实现多任务并发执行。

6. 进程通信和同步：

   • 进程间需要通信和同步机制来协调工作，如共享数据时需要同步。

7. 操作系统的角色：

   • 操作系统负责管理所有进程，包括进程的创建、调度、切换和终止。

线程的概念

进程和线程切换的原理及区别总结如下

1. 进程的组织：

   • 进程通过状态（如新建、就绪、运行、阻塞、终止）和队列（如就绪队列、阻塞队列）进行组织。

2. 进程切换：

   • 进程切换涉及保存当前进程状态（上下文），选择下一个进程，并恢复其状态，实现进程间的切换。

3. 线程的概念：

   • 线程是进程内的轻量级执行单元，共享进程的资源，如内存空间和文件描述符。

   • 用户级线程在用户态执行，不涉及内核态资源切换，因此切换代价较小。

4. 线程切换的优势：

   • 线程切换速度快，因为不需要切换内存地址空间，只需切换指令执行序列（即程序计数器PC）。

   • 线程适合实现并发执行，提高系统资源利用率和响应速度。

5. 进程与线程的区别：

   • 进程是资源分配的基本单位，拥有独立的内存空间。

   • 线程共享进程的资源，但可独立调度和执行。

   • 进程切换涉及资源和状态的全面切换，而线程切换通常只涉及执行状态的切换。

6. 用户级线程：

   • 用户级线程完全在用户态运行，由用户程序控制，不涉及内核态资源管理。

   • 用户级线程的创建、调度和销毁不需要内核干预，由线程库管理。

总结

进程和线程是操作系统实现多任务处理的两种机制。进程提供资源隔离，而线程提供轻量级的并发执行。线程切换比进程切换更高效，因为线程切换不需要切换内存地址空间

多线程的实用性

1. 多执行序列的实用性：

   • 多个执行序列（线程）可以在单个地址空间（进程）内有效运行。

   • 这种模型在现代操作系统中非常实用，特别是在图形用户界面（GUI）应用程序中。

2. 网页浏览器中的线程使用：

   • 一个线程用于从服务器接收数据。

   • 一个线程用于显示文本内容。

   • 一个线程用于处理图片（例如解压缩）。

   • 一个线程用于显示图片。

3. 线程资源共享：

   • 线程之间需要共享某些资源，例如从服务器接收的数据需要在不同线程间传递，以便正确显示网页内容。

   • 尽管每个线程执行不同的任务，但它们可能需要访问相同的数据或资源。

4. 资源管理和同步：

   • 操作系统需要管理这些线程如何共享资源，例如通过互斥锁、信号量等同步机制来防止数据竞争条件和保证数据一致性。

   • 线程间正确的同步是实现高效多线程应用程序的关键。

5. 用户界面的一致性：

   • 所有的文本和图片最终都显示在同一个屏幕上，要求线程协作无间断地更新用户界面。

综上所述，多个执行序列加上单个地址空间的模型不仅实用，而且是现代操作系统中实现多任务并行和资源有效管理的基础。线程作为轻量级的执行单元，能够提高程序的响应性和执行效率，但也需要仔细的资源管理和同步控制来确保程序的正确性和稳定性。

多线程的具体实现

总览

上面网页的代码示例

void WebExplorer()
{char URL[] = "http://cms.hit.edu.cn";char buffer[1000];pthread_create(..., GetData, URL, buffer);pthread_create(..., Show, buffer);
}
​
void GetData(char *URL, char *p) { ... }
void Show(char *p) { ... }

• WebExplorer 函数是浏览器的主函数，它定义了一个URL字符串和一个缓冲区buffer，用于存储从URL下载的数据。

• 使用pthread_create函数创建了两个线程，一个用于下载数据（GetData函数），另一个用于显示数据（Show函数）。

• GetData函数负责从指定的URL下载数据，并将其存储在buffer中。

• Show函数负责将buffer中的数据展示出来。

执行流程图

执行流程图展示了这两个线程的执行流程和交互：

• GetData线程在10:05开始连接并下载文本数据，假设在10:07下载完成。

• 下载完成后，GetData线程通过yield操作主动让出CPU，使得Show线程有机会执行。

• Show线程在10:00开始执行，负责显示文本数据。

• 在显示文本数据后，Show线程也通过yield操作让出CPU，使得GetData线程可以继续执行下载图片的操作。

解释说明

• pthread_create函数用于创建线程，其参数包括线程属性、线程函数和传递给线程函数的参数。

• yield操作是线程主动让出CPU的行为，允许其他线程有机会执行。这在用户级线程中非常常见，用于实现线程间的协作和调度。、

那么我们接下来来探讨这两个函数到底要怎么实现

Yield的简单实现

主要讲解了在操作系统中如何通过编程实现线程切换，以及yield函数在线程切换中的作用。下面我将结合这些图和文字，详细解释yield函数是如何一步一步实现的。

图1：Create和Yield的核心概念

• 核心是Yield：yield函数是实现线程切换的核心。通过yield，一个线程可以主动放弃CPU的使用权，让其他线程有机会执行。

• Create的作用：create函数用于创建新的线程，它需要制造出第一次切换时应该的样子，即设置好线程的初始状态，包括程序计数器（PC）和栈指针（ESP）。

图2：两个执行序列与一个栈

• 问题描述：图中展示了两个函数A()和C()，每个函数中都有一个yield调用。问题是，由于两个函数共用一个栈，当一个函数执行yield时，会将返回地址压入栈中。但是，如果直接从栈中弹出返回地址继续执行，可能会导致执行流程错误地跳转到另一个函数中。因此，需要一种机制来正确地管理这些返回地址，确保每个函数在自己的栈中正确执行。

图3：从一个栈到两个栈

• 引入TCB：为了解决图2中的问题，引入了线程控制块（TCB）的概念。每个线程都有自己的TCB和栈，这样在执行yield时，可以保存当前线程的栈指针到TCB中，并从另一个线程的TCB中恢复栈指针，从而实现正确的线程切换。

• Yield的实现：yield函数首先保存当前线程的栈指针到其TCB中，然后从另一个线程的TCB中恢复栈指针，最后通过跳转到保存的返回地址来继续执行。这样，每个线程都可以在自己的栈中独立执行，而不会干扰到其他线程。

代码说明

yield 函数的代码实现
void Yield()
{TCB1.esp = esp; // 保存当前线程的栈指针到其TCB中esp = TCB2.esp; // 从下一个线程的TCB中恢复栈指针// jmp 204; // 应该去掉，因为返回地址已经在栈中
}

1. 保存当前线程的栈指针：

   • TCB1.esp = esp; 这行代码将当前线程的栈指针（ESP）保存到当前线程的TCB中。这是为了在后续切换回当前线程时能够恢复其栈状态。

2. 切换到下一个线程的栈指针：

   • esp = TCB2.esp; 这行代码将ESP寄存器的值更新为下一个线程的栈指针，从而实现栈的切换。

yield 函数的作用

yield 函数在多线程环境中用于实现线程间的协作式切换。具体作用包括：

• 线程切换：允许当前线程主动放弃CPU控制权，使调度器有机会调度其他线程执行。

• 栈切换：通过保存和恢复栈指针，实现线程间栈空间的切换。

• 程序计数器（PC）切换：虽然代码中没有直接修改PC，但通过栈管理，确保了线程切换后能从正确的地址继续执行。

Create的简单实现

图示说明

• 图示：展示了内存布局，包括两个栈（Stack1和Stack2）、堆（Heap）、数据段和代码段。

• 栈：每个线程有自己的栈，用于存储函数调用的返回地址和其他局部变量。

• TCB：每个线程有自己的TCB，用于存储线程的状态信息，包括栈指针（ESP）。

ThreadCreate函数的实现

• 函数定义：void ThreadCreate(A)

• 步骤：

  1. 分配TCB：使用malloc分配内存用于存储TCB。

  2. 分配栈：使用malloc分配内存用于线程的栈。

  3. 设置栈指针：将栈的起始地址赋值给TCB中的ESP字段。这里假设栈从高地址向低地址增长，所以栈指针指向栈的起始地址。

  4. 设置初始执行地址：将线程的起始函数地址（如A函数的地址）放入栈中，这样当线程开始执行时，它将从指定的函数开始执行。

代码示例

void ThreadCreate(void (*func)()) {TCB *tcb = malloc(sizeof(TCB));  // 分配TCBvoid *stack = malloc(STACK_SIZE); // 分配栈空间*stack = (void *)func;          // 将函数地址放入栈中tcb->esp = stack;               // 设置栈指针// 启动线程执行
}

总结

通过ThreadCreate函数，操作系统可以在用户态下创建新的线程，每个线程有自己的TCB和栈。这种用户级线程的实现方式不需要内核支持，可以提高程序的并发性和响应性。

create和yield结合

1. WebExplorer 函数

void WebExplorer() // main()
{ThreadCreate(GetData, URL, buffer);while(1) Yield();
}

用途：

• 这是主函数，用于初始化并启动多线程Web浏览器。

• 调用 ThreadCreate 来创建一个新线程，该线程执行 GetData 函数以下载数据。

• 进入一个无限循环，在每次迭代中调用 Yield 函数，以允许其他线程运行。

2. GetData 函数

void GetData(char *URL, char *p)
{连接URL; 下载; Yield();...
}

用途：

• 负责从指定的 URL 下载数据。

• 执行下载操作后，调用 Yield 函数以让出CPU，允许其他线程（如显示线程）运行。

3. ThreadCreate 函数

void ThreadCreate(func, arg1)
{申请栈; 申请TCB; func等入栈; 关联TCB与栈;...
}

用途：

• 创建一个新的线程。

• 为新线程分配栈和TCB（线程控制块）。

• 将线程的起始函数地址压入栈中。

• 关联TCB和栈，以便线程可以正确地开始执行。

4. Yield 函数

void Yield()
{压入现场; esp放在当前TCB中; Next(); 从下个TCB取出esp; 弹栈切换线程;
}

用途：

• 实现线程切换。

• 保存当前线程的状态（将ESP压入栈中），并从下一个线程的TCB中恢复栈指针（ESP），从而切换到下一个线程。

• 通过这种方式，允许多个线程交替执行，实现多任务并发处理。

这些代码片段展示了如何在用户态下实现简单的多线程并发模型，包括线程的创建、执行和切换。