分布式操作系统ch4

4.1.2 线程的用途

每个进程的项目


在此设计中，前两种情况没有使用“顺序进程”模型，对于表中每 条发送和接收的消息运算的状态都必须能清楚明确地保存并恢复。 实际上，我们在以一种生硬的方式模拟多线程和这些线程的堆栈。 将进程作为一个有限状态机运行，它接收事件后根据事件本身的特 性响应处理它。 现在我们应该很清楚多线程能提供什么了。它们既保留了顺序 进程的思想，又实现了并行性；阻塞系统调用使编程更为容易，而 并行性则提高了性能；单线程服务器保留了阻塞系统的优点，但放 弃了性能；有限状态机方法通过并行性取得了高性能，但使用非阻 塞调用则使编程更为困难。表4.1中总结了这些模型。 表4.1 构造服务器的三种方法
4.1.1 线程简介
进程
图4.1 (a)三个进程，每一个进程有一个线程；(b)一个进程有三个线程
线程
程序计数器
在图4.1(a)中，我们可看到一台机器有三个进程，每个进程都有它 自已的程序计数器、堆栈、寄存器和地址空间，这些进程之间互 不相干，它们能够通过系统进程间的通信原语如信号量、管程、 消息进行通信。在图4.1(b)中，我们看到另一台机器有一个进程， 该进程包含多个线程控制，经常称为线程或有时称为轻量级进程。 在许多方面，线程像微小的进程，每个线程按顺序执行，并有自 已的程序计数器和堆栈来记录运行到什么地方。线程像进程一样 共享处理机：首先是一个线程运行，然后是另一个线程运行（分 时）。仅在多处理机时它们才并行运行。线程能创建子线程也能 阻塞以等待系统调用的完成。像通常的进程一样，当一个线程被 阻塞时，运行同一进程中的另一个线程，这类似于一个进程阻塞、 另一个进程运行。总之，线程相对于进程，犹如进程相对于机器。
模式 线程 单线程进程 有限状态机
特 性 并行，阻塞系统调用 不并行，阻塞系统调用 并行，非阻塞系统调用
4.1.2 线程的用途
文件服务 器进程
派遣者 工作者 线程 线程
每个进程的项目
共享块 cache 邮箱
工作请 求到达

图4.3(a)中的派遣者结构不是组织多线程进程的唯一方 法，图4.3(b)中的团队模型也是一种方法。在这种情况 下所有的线程都是平等的，每个线程都获得和处理自已 的请求，这里没有派遣者。有时工作来了线程不能处理， 尤其是如果每个线程用来处理一种特殊的工作时，这种 情况下，可以维护一个作业队列，挂起的作业保持在作 业队列中。使用这种组织结构，线程在查看系统信箱前 应先查看作业队列。
4.1.2 线程的用途
每个进程的项目


到目前为止，我们了解了两种可能的设计，即多线程文 件服务器和单线程文件服务器。假设多线程不可用，但 系统设计者又发现由于单线程而引起的性能降低是不可 接受的，那么第三种可能性是将服务器作为大的有限状 态机运行，当请求到来后有唯一的一个线程检查它，如 果缓冲区能满足，则运行之，但果如果不能满足，就必 须向磁盘发送一条消息。 然而，这时文件服务器并不阻塞，而是将当前请求 的状态记录在一张表中，然后去获得下一条消息，下一 条消息可能是请求一个新工作或者是磁盘关于上次操作 的应答。如果是请求一个新工作，就激活它。如果是从 磁盘发来的应答，那么就从表中取出相关信息并处理这 个应答。由于这里不允许发送消息并且阻塞以等待应答， 因此不能使用远程过程调用，原语应是非阻塞调用的 send和receive。
4.1.1 线程简介

然而，同一进程中的不同线程并不像不同进程之 间完全是相互独立的，所有线程有同一地址空间， 也就是它们共享全局变量。由于每个线程能存取 每个虚拟地址，每个线程能读写，甚至清除另一 线程的堆栈。线程之间没有保护，这是因为：其 一，不可能保护；其二，没有必要。进程属于不 同的用户，它们是相互排斥的；一个进程总是属 于一个使用者，用户创造多个线程是为了相互合 作，而不是相互冲突。多个线程共享一个地址空 间，所有线程共享同一批打开文件、子进程、时 钟和信号量等，如图4.2所示。
4.1.2 线程的用途
文件服务 器进程
派遣者 工作者 线程 线程
每个进程的项目
共享块 cache 邮箱
工作请 求到达

线程也能用如图4.3(c)所示的管道线模型来组织。这种 模型中的第一个线程产生一些数据传给下一个线程去处 理。数据持续从一个线程传到另一个线程，经过的每一 个线程都进行处理。尽管这对于文件服务器不适合，但 对于其他问题如生产者-消费者问题来说可能是一种好 的选择。管道线在计算系统的很多方面得到了广泛使用， 如从RISC CPU的内部结构到UNIX的命令行。
4.1.3 线程包的设计问题

下列情况随时可能发生：一个线程锁住互斥体 以进入临界区，一旦它进入临界区，就检查系 统表并发现它所需的某些资源正处于忙的状态。 如果它简单地锁住第二个互斥体（与它所需资 源相关联），那么外部互斥体将保持锁状态， 而正占用此资源的那个线程就不能进入临界区 来释放该锁（与所需资源相关联），结果产生 了死锁。打开外部的互斥体让其他线程可进入 临界区将产生混乱，因此这种解决方法是不可 行的。
4.1.2 线程的用途
文件服务 器进程
派遣者 工作者 线程 线程
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当工作者被唤醒后，它检查任何一个线程可访问的共享块缓冲区是否可以满 足这个请求。如不能满足，则给磁盘发出消息，要求所需的数据块（假设是 READ），且进入休眠状态等待磁盘操作的完成。现在调用调度程序，开始 另一个线程。为了获得更多的工作，此线程可能是派遣者，或者可能是另一 个工作者准备运行。 文件服务器在无多线程的情况下是怎样被写入的呢？一种可能性是让它 作为单独线程执行。文件服务器的主循环是接收一个请求并检查它，而且在 下一个请求到来前完成它。当文件服务器等待磁盘操作时，它是空闲的且不 处理另一请求，如果文件服务器运行于一个专用的机器上（实际中，大多数 情况是这样），当文件服务器等待磁盘时，CPU也是空闲的。实际结果是每 秒钟可处理的请求数大大减少。因而多线程能得到相当好的性能，但每个线 程是以平常的方式顺序执行的。
4.1.3 线程包的设计问题


线程有两种方法结束：当一个线程完成它的工作时，可以自 己退出；或者被外界中止。这方面，线程像进程。在许多情 况下，如图4.3所示的文件服务器那样，进程启动后线程立 即被创建，并从不被中止。 由于线程共享存储器，多个线程能利用这个特性共享数 据，像生产者-消费者问题中的缓冲池。共享数据的存取通 常是用临界区方法编程实现的，这样做是为了防止多个线程 在同一时间存取同一数据。临界区很容易用信号量、管程和 类似的结构来实现。一种在线程包中普遍使用的技术是互斥 体（mutex），也是一种消耗信号量（watered-downsemaphore）。互斥体总是处于两种状态：打开和锁住。互 斥体定义了两种操作，一种是加锁操作，如果互斥体处于打 开状态，它将仅仅用一个原子操作锁住互斥体。如果两个线 程企图在同一时刻锁住同一互斥体，那么这仅在多处理机环 境中是可能的，在这种环境下不同的线程运行在不同的CPU 中，它们中一个成功锁住而另一个失败。如一个线程要给一 个已经锁住的互斥体加锁，则它将被阻塞。
4.1.2 线程的用途
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多线程对客户端来说通常也很有用。例如，如果一个客 户端想将某文件复制到多个服务器上，那么它可用一个 线程与每一个服务器通信。客户端多线程的另一个用处 是处理信号。像来自键盘的中断（DEL或BREAK）， 不是让这些信号中断进程，而是让一个线程专用于等待 这些信号，通常这个线程是被阻塞的。但当信号到来时， 唤醒并处理该信号。因此，使用线程能够消除用户层中 断的需求。 对多线程的另一讨论是与RPC或通信无关的。有些 应用使用并行处理很容易编程。例如生产者-消费者问 题，生产者和消费者是否真正并行是次要的。这样编程 是为了使软件设计更简单。由于它们共享缓冲区，让它 们处于不同的进程做不到这一点，多线程恰好适合这种 情况。
4.1.3 线程包的设计问题




开锁操作是打开互斥体。如果一个或多个线程由于互斥体被锁 住而等待，那么实际上它们之中只能有一个被开锁，其余的继 续等待。 有时提供另一种操作——试锁（trylock），它尝试锁住互 斥体。如果互斥体是打开的，试锁将返回表示成功的状态标识 码。反之，如互斥体是锁住的，试锁不会阻塞线程，而是返回 失败状态的标识码。 互斥体像二进制信号量（例如仅有0和1两个值的信号量）， 它们不像计数信号量，用这种方法限制它们可使它们更容易实 现。 有时，线程包中可用的另一个同步特征是条件变量，它类 似于在管程中用于同步的条件变量，每一个条件变量通常在创 建时与一个互斥体相关联。互斥体与条件变量的区别是互斥体 用于短期加锁，以监视进入临界区，而条件变量用于长时间等 待直到资源可用为止。
4.1.2 线程的用途
文件服务 器进程
派遣者 工作者 线程 线程
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图4.3 线程与进程的三种组织：(a)派遣者/工作者模型；(b)团队模型；(c)管道线 模型
线程的引入是为了使并行执行与顺序执行相结合。再考虑 文件服务器的例子，一种可能的结构如图4.3(a)所示： 在这里某一线程是派遣者（dispatcher），它从系统邮 箱内读出输入请求，然后检查请求，选择一个空闲的工 作者线程去处理它，这可能是通过将指向那个请求消息 的指针写入到一个与每个线程相关联的一个特殊字中。 然后，派遣者唤醒睡眠的工作者。
4.1.2 线程的用途
每个进程的项目

最后，尽管在这里没有明确讨论多处理机系统的 情况，但多线程真正可以在同一地址空间的不同 CPU中并行运行。实际上，这也就是在那些系统 中实现共享的一种主要方法。另一方面，一个使 用多线程的合理设计的程序，其在分时使用线程 的单CPU条件下的运行效果，与在一个真正多处 理机条件下的运行效果，应是一样好的，所以软 件中的问题对两种情况几乎完全相同。