操作系统的Windows的认识

操作系统原理及应用

（考核论文）

题目：浅谈（windows）线程

姓名：张善城

学号：0811130125

专业、班级：信息管理与信息系统1301

提交时间：2015年12月25日

进程的执行单元

------浅谈（windows）线程摘要：每个正在系统上运行的程序都是一个进程。每个进程包含一到多个线程。进程也可能是整个程序或者是部分程序的动态执行。线程是一组指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里独立执行。也可以把它理解为代码运行的上下文。所以线程基本上是轻量级的进程，它负责在单个程序里执行多任务。通常由操作系统负责多个线程的调度和执行。

关键字：进程；并发执行；信号量；进程控制块

1.前言

随着微型计算机的越来越兴盛，对进程的资源掌控，已经不再适用于微型计算机的资源分配模式，线程的出现也就成为了必然。所以说线程是为了提高操作系统的执行效率而引入的，它是进程的一段程序的基本调度单位。进程具有动态性、并发性等特点。线程可以合理的分配进程从CPU占用的资源，并与其他线程共享。每个程序最少有一个进程，每个进程最少有一个线程。

为了对线程进行深一步的了解。我在这个实验报告中对线程做了一个浅显的分析。除了对线程的一些基本概念，特点，，线程同步，已经多线程等等做了一个详细的解释。在研究线程的过程中肯定少不了进程的存在。所以在最后对线程和进行做了一个比对。更深层的了解一些有关的信息。

2.什么是线程？

线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源. 线程也可以称为轻型进程 (Light Weight Process，LWP)。

它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程

所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别；

每个正在系统上运行的程序都是一个进程。每个进程包含一到多个线程。进程也可能是整个程序或者是部分程序的动态执行。线程是一组指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里独立执行。也可以把它理解为代码运行的上下文。所以线程基本上是轻量级的进程，它负责在单个程序里执行多任务。通常由操作系统负责多个线程的调度和执行。

2.1，什么是多线程？

多线程是为了使得多个线程并行的工作以完成多项任务，以提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候被实现的。

3.线程的特点

1）轻型实体

线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源，比如，在每个线程中都应具有一个用于控制线程运行的线程控制块，用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留程序变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。

2）独立调度和分派的基本单位

在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。

3）可并发执行

在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。

4）共享进程资源

在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、

定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。

4.什么是线程同步？

同步就是协同步调，按预定的先后次序进行运行。如：你说完，我再说“同”字从字面上容易理解为一起动作，其实不是，“同”字应是指协同、协助、互相配合。如进程、线程同步，可理解为进程或线程A和B一块配合，A执行到一定程度时要依靠B的某个结果，于是停下来，示意B运行；B依言执行，再将结果给A；A再继续操作。所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回，同时其它线程也不能调用这个方法。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用（例如sin, isdigit等）。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。例如Window API函数SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，这个函数不返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的LRESULT值返回给调用者。在多线程编程里面，一些敏感数据不允许被多个线程同时访问，此时就使用同步访问技术，保证数据在任何时刻，最多有一个线程访问，以保证数据的完整性。

5.多线程同步方法

现在流行的进程线程同步互斥的控制机制，其实是由最原始最基本的4种方法实现的：

1. 临界区:通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。

2. 互斥量:为协调一起对一个共享资源的单独访问而设计的

3. 信号量:为控制一个具备有限数量用户资源而设计。 .

4. 事件:用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

5,1 临界区（Critical Section）

保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此

达到用原子方式操作共享资源的目的。

临界区包含两个操作原语：EnterCriticalSection（）进入临界区LeaveCriticalSection（）离开临界区

5,2 互斥量（Mutex）

互斥量跟临界区很相似，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。当前占据资源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出，以便其他线程在获得后得以访问资源。互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。

互斥量包含的几个操作原语：

CreateMutex（）创建一个互斥量

OpenMutex（）打开一个互斥量

ReleaseMutex（）释放互斥量

WaitForMultipleObjects（）等待互斥量对象

5.3 信号量（Semaphores）

信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。在用CreateSemaphore（）创建信号量时即要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就会减1，只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目，不能在允许其他线程的进入，此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReleaseSemaphore（）函数将当前可用资源计数加1。在任何时候当前可用资源计数决不可能大于最大资源计数。

PV操作及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量S

是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数。

P操作申请资源：

（1）S减1；

（2）若S减1后仍大于等于零，则进程继续执行；

（3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转入进程调度。

V操作释放资源：

（1）S加1；

（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

（3）若相加结果小于等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。

信号量包含的几个操作原语：

CreateSemaphore（）创建一个信号量

OpenSemaphore（）打开一个信号量

ReleaseSemaphore（）释放信号量

WaitForSingleObject（）等待信号量

5.4 事件（Event）

事件对象也可以通过通知操作的方式来保持线程的同步。并且可以实现不同进程中的线程同步操作。

总结：

1．互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。

2．互斥量（Mutex），信号灯（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作，而其他的对象与数据同步操作无关，但对于进程和线程来讲，如果进程和线程在运行状态则为无信号状态，在退出后为有信号状态。所以可以使用WaitForSingleObject来等待进程和线程退出。

3．通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号灯对象可以说是一种资源计数器。

6.线程的调度

当若干进程都有多个线程时，就存在两个层次的并行：进程和线程，在这样的系统中调度处理有本质差别，这取决于系统所支持的是用户级线程还是内核级线程

用户级线程

由于内核并不知道线程的存在，所以内核还是和以前一样地操作，选取一个进程A，并给与A以时间片控制，A中的线程调度程序决定线程的调度，由于多道线程并不存在时钟中断，所以这个线程可以运行任意长时间，如果进程运行完了他的时间片，系统就会选择另一个进程执行，当内核再次轮转到该进程执行，原来的线程又会继续执行，而不会自动交由另一个线程运行，除非该线程主动放弃CPU

内核级线程

内核按照线程进行调度，而不需要考虑这个线程属于哪个进程，对被选择的线程赋予一定的时间片

用户线程和内核线程的差别在于：

性能，用户级线程的切换需要少量的机器指令，而内核线程的切换则需要完整的上下文切换，修改内存映像，使告诉缓存失效，这导致了若干数量级的延迟，但对于内核线程，同进程内的线程切换要比不同进程间的线程切换要高效

对于用户线程，如果一个线程阻塞在IO上，整个进程都会进入阻塞状态，而内核级线程则不会这样，用户级线程可以使用专门为应用程序定制的线程调度程序，运行系统可以了解所有线程的作用，从而定制最合理的调度顺序，而内核对于内核线程则缺乏这样的了解，因此，应用程序定制的用户线程比内核线程更好的满足应用的需要。

7.进程与线程的区别

7.1 区别的总体论述

线程和进程的区别在于，子进程和父进程有不同的代码和数据空间，而多个线程则共享数据空间，每个线程有自己的执行堆栈和程序计数器为其执行上下文。多线程主要是为了节约CPU时间，发挥利用，根据具体情况而定。线程的运行中需要使用计算机的内存资源和CPU。

通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度，从而显著提高系统资源的利用率和吞吐量。

7.2 进程与线程的区别和联系

(1)划分尺度:线程更小，所以多线程程序并发性更高；

(2)资源分配：进程是资源分配的基本单位，同一进程内多个线程共享其资源；

(3)地址空间：进程拥有独立的地址空间，同一进程内多个线程共享其资源；

(4)处理器调度：线程是处理器调度的基本单位；

(5)执行：每个线程都有一个程序运行的入口，顺序执行序列和程序的出口，但线程不能单独执行，必须组成进程，一个进程至少有一个主线程。简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。

7.3 进程与程序的区别和联系

(1)程序只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，它只是一个静态的实体。而进程则不同，它是程序在某个数据集上的执行。进程是一个动态的实体，它有自己的生命周期。反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。

(2)进程和程序并不是一一对应的，一个程序执行在不同的数据集上就成为不同的进程，可以用进程控制块来唯一地标识每个进程。而这一点正是程序无

法做到的，由于程序没有和数据产生直接的联系，既使是执行不同的数据的程序，他们的指令的集合依然是一样的，所以无法唯一地标识出这些运行于不同数据集上的程序。一般来说，一个进程肯定有一个与之对应的程序，而且只有一个。而一个程序有可能没有与之对应的进程(因为它没有执行),也有可能有多个进程与之对应(运行在几个不同的数据集上)。

(3)进程还具有并发性和交往性，这也与程序的封闭性不同。

7.4 进程与程序区别和联系的表现

1)程序只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，它只是一个静态的实体。而进程则不同，它是程序在某个数据集上的执行。

进程是一个动态的实体，它有自己的生命周期。它因创建而产生，因调度而运行，因等待资源或事件而被处于等待状态，因完成任务而被撤消。反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。

2)进程和程序并不是一一对应的，一个程序执行在不同的数据集上就成为不同的进程，可以用进程控制块来唯一地标识每个进程。而这一点正是程序无法做到的，由于程序没有和数据产生直接的联系，既使是执行不同的数据的程序，他们的指令的集合依然是一样的，所以无法唯一地标识出这些运行于不同数据集上的程序。一般来说，一个进程肯定有一个与之对应的程序，而且只有一个。而一个程序有可能没有与之对应的进程(因为它没有执行),也有可能有多个进程与之对应(运行在几个不同的数据集上)。

3)进程还具有并发性和交往性，这也与程序的封闭性不同。进程和线程都是由操作系统所体会的程序运行的基本单元，系统利用该基本单元实现系统对应用的并发性。进程和线程的区别在于：

简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.

线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。另外，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。

线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在

应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位.

线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源.

一个线程可以创建和撤销另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行.

线程与进程的区别可以归纳为以下几点：

1）地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。

2）通信：进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。

3）调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

4）在多线程OS中，进程不是一个可执行的实体。

8.结束语;

线程是为了提高操作系统的效率而引入的，它是进程内的一段程序的基本调度单位。线程可分为用户级线程和系统级线程。用户级线程的管理全部由线程库完成，与操作系统内核无关。线程由期存器，堆栈以及程序计数器等组成，同一进程的线程共该进程的进程空间和其他资源。线程主要用于多机系统以及网络系统的操作系统中。

参考资料：

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