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进程与线程：03 用户级线程

news 来源：原创 2025/7/26 10:08:07

多进程与操作系统基础

上一个内容我们讲了多进程图像，强调多进程图像是操作系统最核心的图像。我们还通过Windows任务管理器，实际观察了操作系统里的进程。

  • 进程是操作系统的核心内容，管理好多个进程，就能管理好操作系统和CPU。
  • 上节课提到操作系统支持多进程图像的四个方面：
    • 组织方式：操作系统通过状态（如就绪态、阻塞态等）和队列（就绪态队列、阻塞队列等）来组织进程，涉及简单数据结构知识，此部分不做详细讲解。
    • 进程切换：多进程的切换非常关键，是重点内容。
    • 进程分离：在内存管理部分详细展开如何让进程之间地址空间不相互影响 。
    • 进程合作：在进程同步章节详细讲解操作系统如何让多个进程合作。

线程概念的引出

本次课重点探讨操作系统如何实现多个进程的切换。然而，讲进程切换却提到线程，这是因为线程的切换是进程切换的重要组成部分。
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  • 多进程图像回顾：一个进程执行一系列指令，执行时可能因启动I/O（如磁盘操作）而执行不下去，需要切换。这里引发思考：能否只切换指令序列，而不切换资源（如映射表） ？
  • 线程概念形成：实际上，将资源和指令执行分开，只切换指令序列是可行的。这样切换速度更快，因为只需切换程序计数器（PC）和一些寄存器，无需切换映射表等资源。这种在一个资源下启动多个轻巧的指令序列，且可来回切换的方式，就是线程。线程保留了并发优点，同时避免了进程切换的高代价，其实质是映射表不变而PC指针变化。
    在这里插入图片描述

线程实用性的示例——网页浏览器

以网页浏览器为例说明线程的实用性。
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  • 浏览器显示过程：打开斯坦福网站时，网页数据包含文本、图片等。若所有操作按顺序执行，先下载文本，再显示文本，最后显示图片，会出现一段时间屏幕空白，用户体验差。
  • 多线程实现方式：实际浏览器是通过多线程实现的：
    • 一个线程从服务器接收数据。
    • 一个线程显示文本。
    • 一个线程处理图片（如解压缩）。
    • 一个线程显示图片。
  • 线程共享资源优势：这些线程共享资源，比如接收的数据放在缓冲区，显示文本和图片的线程都从该缓冲区读取数据。若采用进程方式，因进程地址空间分离，数据传递会很麻烦，所以采用线程方式更合适。

线程切换实现示例

以WebExplorer应用程序为例，展示线程切换的实现：
在这里插入图片描述

  • 程序基本结构：程序申请共享缓冲区，创建多个线程，每个线程执行一个函数。如GetData函数负责从网站下载数据（建立Socket连接，下载数据包并放入缓冲区），Show函数从缓冲区取出内容显示到显示器上。
  • 线程交替执行关键：核心是实现线程交替执行，这需要用到Yield函数。当GetData函数下载一部分数据后，调用Yield函数暂停当前线程执行，操作系统保存当前线程状态（如PC值、寄存器值等），然后从线程就绪队列中选取另一个线程（如Show线程），恢复其状态并让其执行。Show线程执行完相关操作后，也调用Yield函数，将执行权交回操作系统，操作系统再选取其他就绪线程执行，如此循环实现线程交替执行。

线程切换原理深入分析

  • Create与Yield：Create用于制造第一次切换时的状态，Yield是线程切换的核心。
    在这里插入图片描述
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    能切换就需清楚切换时的状态，比如Yield操作就是程序计数器（PC）从一个地址跳到另一个地址，如从100跳到300 。

  • 栈的变化：开始是一个栈，存在问题。后来发展为两个栈（对应两个线程），每个线程有自己的栈和线程控制块（TCB）。Yield切换时要先切换栈，例如Yield函数中先将当前栈指针（esp）保存到当前TCB中，然后将esp设置为下一个线程TCB中的esp值，实现栈的切换。
    在这里插入图片描述

  • ThreadCreate核心：ThreadCreate函数的核心是创建两个TCB、两个栈，并将切换的PC值存于栈中。具体实现为申请TCB和栈的内存空间，将函数入口地址（如100）存入栈中，并将栈指针与TCB关联。
    在这里插入图片描述

综合示例与用户级线程特点

  • 综合示例：将所有相关函数组合在一起，WebExplorer函数（类似main函数）中创建线程（调用ThreadCreate），并通过while(1)Yield()不断进行线程切换；GetData函数在下载数据过程中调用Yield实现线程切换；ThreadCreate函数负责申请栈和TCB等操作；Yield函数负责保存现场、切换栈等操作。还提到编译相关命令，如gcc -o explorer get.c yield.c... 或 gcc get.c... -lthread 。
    在这里插入图片描述

  • 用户级线程特点：强调Yield是用户程序，说明这是用户级线程。用户级线程切换控制权在用户程序手中，在用户态执行。若进程中的某个线程进入内核并阻塞（如GetData函数中连接URL发起请求后等待网卡I/O ，导致进程阻塞），其他线程仍可通过Yield进行切换执行，实现并发效果。但用户级线程也有局限性，如线程长时间执行不主动调用Yield，会导致其他线程无法执行，后续会讲解内核级线程来解决此类问题。
    在这里插入图片描述

**此处可插入对应图片，展示相关代码结构、线程切换流程、栈与TCB关系等内容，帮助理解** 。

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