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04 Thread

Created at Jan 04, 2025 Last Modified at Nov 24, 2025 14 min read

并行、并发 Thread: a single execution sequence that represents a separately schedulable task.

Thread abstraction

04 Thread 并发 04 Thread 使用线程的例子

04 Thread 线程使用例子2 一般可以，但是会有其他方面的限制，比如说访存

04 Thread 线程使用例子3 响应时间没变，但是提升了吞吐率(每秒跑多少个任务) related to CPU使用率

Thread: a single execution sequence that represents a separately schedulable task

一个线程是最小的被独立调度的单元

Important

The minimal scheduling unit in OS

允许被单独调度的执行序列

在单个线程中，执行的逻辑就是程序编写的逻辑，按顺序执行

04 Thread 线程概念1 不共享执行的上下文

04 Thread 线程概念2 线程之间的执行顺序是不可预测的

04 Thread 进程 vs 线程 04 Thread POSIX thread APIs

04 Thread POSIX Thread Example 两种可能的输出结果

04 Thread 线程的生命周期

Thread implementation

TCB(Thread Control Block)

  • Stack pointer: each thread needs their own stack
  • Copy of processor registers
  • Metadata
    • Thread ID
    • Scheduling priority
    • Status

What’s different from PCB

04 Thread 线程数据结构 04 Thread 线程数据结构2 内核态的栈比较小，做精简的事情

Shared State

  • Code
  • Global variables
  • Heap variables

操作系统不会主动去隔离线程之间的数据，共享同一块地址空间

If thread A has a pointer to the stack location of thread B, A can access/modify the variables on the stack of thread B

04 Thread calling conventions

Code 内核态线程实现

和easy_lab1有关 04 Thread 内核态线程实现1 栈是从上往下增长，tcb->sp需要指向栈顶的位置 stub是要执行的函数

为什么要有一个stub，不能直接将func压栈呢

  • 为了主动加一个thread_exit(0)，每次调用都能显式exit
  • 封装了用户函数的执行

TCB栈

04 Thread 内核态线程实现2 04 Thread 内核态线程实现3 thread_switch是精华

  • pushad保存当前所有通用寄存器的值到当前栈上，这样保存了旧线程的上下文信息
  • oldTCB->sp=%esp存储当前线程的栈为oldTCB，这样旧线程下次恢复的时候能知道从哪里开始执行
  • %esp=newTCB->sp将栈指针移到新线程
  • popad弹出新栈的寄存器值
  • return; 执行 return 时，会从当前栈顶弹出返回地址，由于栈已经切换到新线程的栈，弹出的是新线程的返回地址，因此程序会跳转到新线程上次被中断的位置继续执行

为什么要关中断

  • 因为线程切换过程中的栈和寄存器操作必须是原子的
  • 如果中间发生中断，可能会破坏切换过程，导致系统崩溃

04 Thread 内核态线程实现4

04 Thread 内核态线程实现5

  1. When does switch (change of pc) actually happen?
  • PC的切换实际发生在 thread_switch 函数的 return 指令执行时
  • 因为 return 指令会从栈顶弹出返回地址到 PC
  • 由于之前已经切换到了新线程的栈，所以会跳转到新线程的执行点
  1. What’s the goal of thread_dummySwitch?
  • 为新创建的线程准备初始栈环境
  • 在栈上设置返回地址（stub函数）
  • 为 popad 指令预留空间
  • 确保新线程第一次被调度时能够正确运行，与普通线程切换机制保持一致
  1. What’s the purpose of stub function and how it is correctly called?
  • stub函数的目的：
    • 包装用户线程函数的执行
    • 确保线程函数执行完后能够正确退出
  • 正确调用方式： 
    void stub(void (*func)(int), int arg) {
    (*func)(arg);         // 执行用户函数
    thread_exit(0);       // 确保线程正确退出
}
  • 参数通过线程创建时压入栈中的方式传递
  1. Why we need to disable interrupts during thread_switch?
  • 线程切换过程中涉及关键的栈和寄存器操作
  • 这些操作必须是原子的，不能被中断打断
  • 如果在切换过程中发生中断：
    • 可能破坏栈的状态
    • 可能导致寄存器值保存/恢复错误
    • 可能引起系统崩溃
  • 所以必须通过关中断来保证切换过程的原子性

04 Thread 内核态线程实现6 04 Thread 内核态线程实现7

多线程实现

04 Thread 多线程处理器1 04 Thread 多线程处理器2 04 Thread 多线程处理器3 用户级线程的实现方式和关键概念：

  1. 用户级线程库的实现特点：
  • 所有线程相关的数据结构都在用户空间维护：
    • TCBs (线程控制块)
    • 线程栈
    • 就绪队列
    • 完成队列
  • 线程库负责线程调度
  • 线程操作实际上就是普通的过程调用
  1. 实现用户级线程并发执行的两种方式：
  • 抢占式（preemptive）：
    • 通过内核的定时器中断（upcall）实现
    • 强制线程切换
  • 协作式（cooperative）：
    • 线程主动让出 CPU（yield）
    • 需要线程自己配合
  1. 如何改变程序的执行流：
  • 通过修改：
    • PC（程序计数器）：使用 jmp 指令
    • 栈指针（esp）：直接修改 esp 寄存器 这样可以实现线程切换

04 Thread 内核态和用户态线程对比 04 Thread 多线程处理器4

Thread VS Process

进程（Process）和线程（Thread）是操作系统中的两种基本并发执行单位。它们有许多相似之处，但也有重要的区别。下面从多个角度对进程和线程进行对比和说明。

1. 定义：

  • 进程：进程是操作系统分配资源的基本单位。每个进程拥有自己独立的内存空间、文件描述符表、程序计数器、堆栈等。进程之间相互独立，切换进程时会发生上下文切换（Context Switch）。

  • 线程：线程是 CPU 调度的基本单位。一个进程可以包含多个线程，同一进程中的线程共享进程的内存和资源，但每个线程有自己的栈、程序计数器和寄存器。线程通常被称为“轻量级进程”，因为创建和切换线程的开销比进程小。

2. 内存和资源分配：

  • 进程：

    • 每个进程有自己独立的地址空间（包括代码段、数据段、堆和栈）。
    • 进程之间相互隔离，一个进程无法直接访问另一个进程的内存，除非通过进程间通信（IPC）。
    • 每个进程有独立的资源（如文件描述符、全局变量等）。

  • 线程：

    • 线程是同一进程内的执行单位，线程之间共享进程的全部资源和内存空间。
    • 线程共享代码段、数据段和堆内存，但每个线程有自己的栈和程序计数器。
    • 线程之间的通信可以通过共享内存完成，因为它们在同一个地址空间中。

3. 创建和切换：

  • 进程：

    • 创建一个进程需要操作系统为其分配独立的内存空间，并创建相应的资源（如 PCB 等）。
    • 进程切换的开销较大，因为切换时需要保存和恢复整个进程的上下文，包括内存地址空间、寄存器等。
    • 进程通过 fork()、exec() 等系统调用创建，常常伴随着资源的复制和分配。

  • 线程：

    • 线程的创建相对轻量，因为线程共享进程的资源，只需为其分配少量的独立资源（如栈、程序计数器等）。
    • 线程切换的开销比进程切换小，因为不需要切换内存空间，只需切换 CPU 寄存器等上下文信息。
    • 线程通过库函数（如 pthread_create()）创建，且在同一个进程中可以快速切换。

4. 通信方式：

  • 进程：
    • 进程之间不能直接访问对方的内存空间，因此需要通过进程间通信（IPC）机制进行数据交换。常见的 IPC 方式包括管道（Pipe）、消息队列（Message Queue）、共享内存（Shared Memory）、信号（Signal）等。
  • 线程：
    • 线程之间由于共享同一地址空间，可以直接访问共享变量或内存，线程之间的通信非常高效。不需要复杂的通信机制，通常使用锁（Mutex）、信号量（Semaphore）或条件变量（Condition Variable）来确保同步和数据一致性。

5. 开销：

  • 进程：

    • 进程的创建、销毁和切换开销较大，因为需要分配独立的资源和上下文切换涉及更多的系统操作。
    • 进程之间通信开销较大，因为它们不共享内存空间，必须使用 IPC 机制。

  • 线程：

    • 线程的创建、销毁和切换开销小，线程共享进程的资源，系统不需要为其分配独立的内存空间。
    • 线程之间的通信开销小，可以直接共享数据。

6. 安全性：

  • 进程：

    • 由于进程之间互相隔离，一个进程的崩溃不会影响到其他进程。
    • 进程的独立性使得它们更适合处理不同任务或保护数据的独立性（例如浏览器中的多个标签页作为不同进程运行，防止一个页面崩溃导致整个浏览器崩溃）。

  • 线程：

    • 线程之间共享内存，因此一个线程的崩溃可能会导致整个进程崩溃，特别是在多个线程操作共享数据时出现竞争条件或死锁问题。
    • 由于线程共享进程内存，必须小心处理同步问题以避免数据不一致或内存冲突。

7. 并发性：

  • 进程：

    • 多个进程可以同时运行在多个 CPU 核心上，通过进程的并发实现任务并行。
    • 进程并发较为独立，互不干扰，适用于复杂的应用程序和隔离性要求较高的任务。

  • 线程：

    • 同一进程的多个线程也可以并发运行在多个 CPU 核心上，线程的并发通常比进程更加高效。
    • 线程非常适合用于需要处理密切相关任务的并发场景（例如 Web 服务器中处理多个用户请求）。

总结对比表：

属性进程 (Process)线程 (Thread)
内存空间独立的地址空间共享进程的地址空间
资源开销创建和切换开销大创建和切换开销小
通信方式进程间通信（IPC）需要系统调用和较高开销线程间通信直接共享数据，开销小
稳定性独立性强，一个进程崩溃不会影响其他进程线程共享内存，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃
创建方式系统调用（如 fork()）库函数（如 pthread_create()）
并发能力独立运行，可并发执行共享资源并发执行，适合并行处理任务
使用场景用于需要资源隔离、独立运行的场景（如多个应用）用于需要轻量并发的场景（如 Web 服务器）

典型使用场景：

  • 进程：适合大型应用程序，如独立的服务器、数据库服务、浏览器的隔离标签页等。这些场景通常要求资源隔离和独立性，以避免进程间的干扰。

  • 线程：适合并发密集型任务，如 Web 服务器中的多用户请求处理、游戏引擎中的多任务处理。线程提供了更高的并发性能，但需要注意同步和数据一致性问题。

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