计算机操作系统多线程
操作系统 实验 进程调度 银行家算法 多线程编程 存储管理 磁盘调度
实验一进程调度实验学时：2学时实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的多道程序设计中，经常是若干个进程同时处于就绪状态，必须依照某种策略来决定那个进程优先占有处理机。
因而引起进程调度。
本实验模拟在单处理机情况下的处理机调度问题，加深对进程调度的理解。
二、实验内容1．优先权法、轮转法简化假设1）进程为计算型的（无I/O）2）进程状态：ready、running、finish3）进程需要的CPU时间以时间片为单位确定2．算法描述1）优先权法——动态优先权当前运行进程用完时间片后，其优先权减去一个常数。
2）轮转法三、流程图四、实验程序代码package进程调度;/***@author**/public class CPCB {private String name;private int time;private int count;public int getCount() {return count;}public void setCount(int count) { this.count = count;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) { = name;}public int getTime() {return time;}public void setTime(int time) {this.time = time;}}package进程调度;/***@author**/class PCB{private String name;private int time ;private int priority ;public int getTime(){return time;}public void setTime(int time){this.time = time;}public int getPriority(){return priority;}public void setPriority(int priority){ this.priority = priority;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) { = name;}}package进程调度;import java.util.LinkedList;/***@author**/class process{private final static int nap_time = 500;private LinkedList<PCB> queue = new LinkedList<PCB>();private LinkedList<CPCB> cqueue = new LinkedList<CPCB>();//优先权算法public void go(int p_Num) throws Exception{for(int i = 0;i<p_Num;i++){PCB pcb = new PCB();int time = (int)(Math.random()*20+1);int pri = (int)(Math.random()*20+4);pcb.setName("进程"+i);pcb.setTime(time);pcb.setPriority(pri);queue.add(pcb);}queue = this.sort(queue);int i=0;while(queue.size()!=0){PCB pcb = (PCB)queue.getFirst();System.out.println(i+"\t\t"+pcb.getName()+"运行\t"+"优先级:"+pcb.getPriority()+"---所需时间:"+pcb.getTime());// Thread.sleep(nap_time);int pre = pcb.getPriority() - 3;int time = pcb.getTime() - 1;if(time<=0){System.out.println(pcb.getName()+"\t\t进程运行结束");PCB p = (PCB)queue.removeFirst();System.out.println("移除队列的进程是\t\t"+p.getName()+"\n队列中还有"+queue.size()+"个进程\n");}else{queue.remove();pcb.setPriority(pre);pcb.setTime(time);// System.out.println("运行后:"+i+"----"+pcb.getName()+"---优先级:"+pcb.getPriority()+"---所需时间:"+pcb.getTime());queue.add(pcb);queue = this.sort(queue);}i++;}}//时间片轮转调度算法public void cycle(int p_Num) throws Exception{final int time = 3; //定义轮转时间片数for(int i = 0;i<p_Num;i++){CPCB cpcb = new CPCB();cpcb.setTime((int)(Math.random()*20)+1);cpcb.setName("进程"+i);cpcb.setCount(0);cqueue.add(cpcb);}while(cqueue.size()!=0){CPCB cpcb = (CPCB)cqueue.getFirst();while(cpcb.getCount()!=time){// Thread.sleep(nap_time);cpcb.setTime(cpcb.getTime() - 1);cpcb.setCount(cpcb.getCount()+1);for(int i=0;i<cqueue.size();i++)//输出进程运行情况{CPCB cpcb1 = (CPCB)cqueue.get(i);System.out.println(cpcb1.getName()+"\t\t所需时间片数"+cpcb1.getTime()+"\t\t已占用CPU时间片数"+cpcb1.getCount());}if(cpcb.getTime()==0){System.out.println(cpcb.getName()+"运行结束\n"+"-------------移除队列的是"+cpcb.getName()+"-------------");cqueue.removeFirst();System.out.println("-------------队列中还有"+cqueue.size()+"个进程--------------");break;}if(cpcb.getCount()==time){// cqueue.remove();System.out.println("----因为"+cpcb.getName()+"占用CPU时间片数"+cpcb.getCount()+"="+time);System.out.println(cpcb.getName()+"时间片运行结束"+cpcb.getCount()+cpcb.getTime());CPCB p = (CPCB)cqueue.removeFirst();cqueue.add(p);cpcb.setCount(0);break;}}}}public LinkedList<PCB> sort(LinkedList<PCB> processes){for(int i=0;i<processes.size();i++){PCB thread = new PCB();thread = processes.get(i);for(int j=i+1;j<processes.size();j++){if(thread.getPriority() < processes.get(j).getPriority()){PCB mythread = new PCB();mythread = thread;//thread = processes.get(j);processes.set(i, processes.get(j));processes.set(j, mythread);}}}return processes;}}package 进程调度;import java.io.BufferedReader;import java.io.InputStreamReader;/**** @author 邱福文**/public class MainFun{public void FPF(){}public static void main (String[] args) throws Exception{Integer n2;do{System.out.print("请输入进程数:");BufferedReader sin = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));String str = sin.readLine();Integer n = Integer.parseInt(str);System.out.print("请输入调度算法:\n"+"1为优先权\n"+"2为轮转法\n"+"0 退出\n");BufferedReader sin2 = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));String str2 = sin2.readLine();process p = new process();// do{n2 = Integer.parseInt(str2);switch(n2){case 0:break;case 1:p.go(n);break;case 2:p.cycle(n);break;default:System.out.print("输入有误请重新输入");break;}}while(n2!=0);}}五、实验结果请输入进程数:3请输入调度算法:1为优先权2为轮转法0 退出10 进程0运行优先级:19---所需时间:181 进程1运行优先级:19---所需时间:152 进程0运行优先级:16---所需时间:173 进程1运行优先级:16---所需时间:144 进程0运行优先级:13---所需时间:165 进程1运行优先级:13---所需时间:136 进程2运行优先级:10---所需时间:87 进程0运行优先级:10---所需时间:158 进程1运行优先级:10---所需时间:129 进程2运行优先级:7---所需时间:710 进程0运行优先级:7---所需时间:1411 进程1运行优先级:7---所需时间:1112 进程2运行优先级:4---所需时间:613 进程0运行优先级:4---所需时间:1314 进程1运行优先级:4---所需时间:1015 进程2运行优先级:1---所需时间:516 进程0运行优先级:1---所需时间:1217 进程1运行优先级:1---所需时间:918 进程2运行优先级:-2---所需时间:419 进程0运行优先级:-2---所需时间:1120 进程1运行优先级:-2---所需时间:821 进程2运行优先级:-5---所需时间:322 进程0运行优先级:-5---所需时间:1023 进程1运行优先级:-5---所需时间:724 进程2运行优先级:-8---所需时间:225 进程0运行优先级:-8---所需时间:926 进程1运行优先级:-8---所需时间:627 进程2运行优先级:-11---所需时间:1 进程2 进程运行结束移除队列的进程是进程2队列中还有2个进程28 进程0运行优先级:-11---所需时间:829 进程1运行优先级:-11---所需时间:530 进程0运行优先级:-14---所需时间:731 进程1运行优先级:-14---所需时间:432 进程0运行优先级:-17---所需时间:633 进程1运行优先级:-17---所需时间:334 进程0运行优先级:-20---所需时间:535 进程1运行优先级:-20---所需时间:236 进程0运行优先级:-23---所需时间:437 进程1运行优先级:-23---所需时间:1 进程1 进程运行结束移除队列的进程是进程1队列中还有1个进程38 进程0运行优先级:-26---所需时间:339 进程0运行优先级:-29---所需时间:240 进程0运行优先级:-32---所需时间:1进程0 进程运行结束移除队列的进程是进程0队列中还有0个进程请输入进程数:3请输入调度算法:1为优先权2为轮转法0 退出2进程0 所需时间片数8 已占用CPU时间片数1 进程1 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数13 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数7 已占用CPU时间片数2 进程1 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数13 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数3 进程1 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数13 已占用CPU时间片数0 ----因为进程0占用CPU时间片数3=3进程0时间片运行结束36进程1 所需时间片数5 已占用CPU时间片数1 进程2 所需时间片数13 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程1 所需时间片数4 已占用CPU时间片数2 进程2 所需时间片数13 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程1 所需时间片数3 已占用CPU时间片数3 进程2 所需时间片数13 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 ----因为进程1占用CPU时间片数3=3进程1时间片运行结束33进程2 所需时间片数12 已占用CPU时间片数1 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程1 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数11 已占用CPU时间片数2 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0 进程1 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数3 进程0 所需时间片数6 已占用CPU时间片数0----因为进程2占用CPU时间片数3=3进程2时间片运行结束310进程0 所需时间片数5 已占用CPU时间片数1 进程1 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数4 已占用CPU时间片数2 进程1 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数3 进程1 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数0 ----因为进程0占用CPU时间片数3=3进程0时间片运行结束33进程1 所需时间片数2 已占用CPU时间片数1 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程1 所需时间片数1 已占用CPU时间片数2 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程1 所需时间片数0 已占用CPU时间片数3 进程2 所需时间片数10 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程1运行结束-------------移除队列的是进程1--------------------------队列中还有2个进程--------------进程2 所需时间片数9 已占用CPU时间片数1 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数8 已占用CPU时间片数2 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 进程2 所需时间片数7 已占用CPU时间片数3 进程0 所需时间片数3 已占用CPU时间片数0 ----因为进程2占用CPU时间片数3=3进程2时间片运行结束37进程0 所需时间片数2 已占用CPU时间片数1 进程2 所需时间片数7 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数1 已占用CPU时间片数2 进程2 所需时间片数7 已占用CPU时间片数0 进程0 所需时间片数0 已占用CPU时间片数3 进程2 所需时间片数7 已占用CPU时间片数0 进程0运行结束-------------移除队列的是进程0--------------------------队列中还有1个进程--------------进程2 所需时间片数6 已占用CPU时间片数1进程2 所需时间片数4 已占用CPU时间片数3----因为进程2占用CPU时间片数3=3进程2时间片运行结束34进程2 所需时间片数3 已占用CPU时间片数1进程2 所需时间片数2 已占用CPU时间片数2进程2 所需时间片数1 已占用CPU时间片数3----因为进程2占用CPU时间片数3=3进程2时间片运行结束31进程2 所需时间片数0 已占用CPU时间片数1进程2运行结束-------------移除队列的是进程2--------------------------队列中还有0个进程--------------请输入进程数:实验二银行家算法一、实验目的死锁会引起计算机工作僵死，因此操作系统中必须防止。
操作系统中的进程、线程与Java的多线程
动 态概 念 ， 有动 态 属 性 ， 一 个 进 程 都是 具 每
由 内 核 对 象 和 地 址 空 间 所 组 成 的 ， 核对 内
据 以 及 线 程 堆 栈 、 分 配 空 间 等 动 态 分 配 堆
的空间 。
ｅ ｊ ｖ ， ａ ａｙ ｉ ｇ ｒ ｍ ｈ ｂ ｓｃ ｏ ｃ ｐ ｏ ｔ ｅ ｒｃ ｓ ｄ ａａ ｎ ｌｚ ｎ ｆ ｏ ｔ ｅ ａ ｉ ｃ ｎ ｅ ｔ ｆ ｈ ｐ ｏ ｅｓ， ｔ ｅ ｄ ｎ ａ ｄ ｈｒａ ｉ ｇ ｎ ｍｕ ｔ－ｔ ｅ ｄ ｎ ， ｄ ｍｏ ｓｒ ｔｏ ａ ｅ ｌｏ ｆｅ ｅ ｏ ｈ ｗ ｔ ｌｉ ｈｒａ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔａ ｉｎｓ ｒ ａｓ ｏ ｆ ｒｄ ｓ ｏ ｈ
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程 。
中， 是一个Ｅ 就 ＸＥ文 件 的 执 行 过 程 。 一 个 是
址 空 间 则 包 括 了所 有 程 序 模 块 的 代 码 和数
多线程实现的原理
多线程实现的原理多线程主要是为了提高计算机程序的执行效率，它可以使程序同时进行多个任务，而不像单线程一样需要等待当前的任务完成以后才能执行下一个任务。
多线程是一种并发编程技术，许多编程语言都支持多线程编程，例如Java、Python等。
多线程实现的基本原理是利用CPU的时间片轮转算法，CPU可以快速地在多个线程之间进行切换，从而实现多个线程同时执行的效果。
接下来，我们将分步骤阐述多线程实现的原理：1. 线程的创建：在程序开始运行时，创建一个主线程。
如果需要使用多线程，可以在主线程内创建多个子线程。
2. 线程的调度：每个线程都会被分配一个时间片，当某个线程的时间片用完时，操作系统会将该线程置于等待状态，同时将 CPU 分配给其他线程。
等待状态的线程会进入操作系统的等待队列等待下一次执行。
3. 线程的同步：多个线程之间要共享数据，就需要进行线程同步。
线程同步可以通过互斥锁、信号量、条件变量等方式进行实现。
4. 线程的销毁：线程的结束是由操作系统负责的。
当某个线程完成任务后，操作系统会将该线程从运行状态转变为终止状态，并清除该线程占用的系统资源。
5. 线程的优先级：每个线程都有一个优先级，优先级较高的线程会先被执行。
线程的优先级可以通过设置线程优先级的方式进行调整。
总结起来，多线程实现的原理就是利用操作系统的时间片轮转算法实现线程的调度。
多个线程之间共享数据需要进行线程同步，线程的创建和销毁由操作系统负责。
线程的优先级可以通过设置线程优先级的方式进行调整。
在实际的程序开发中，多线程可以提高程序的执行效率，但也需要注意线程安全的问题，避免发生数据竞争等问题。
因此，在使用多线程时需要仔细考虑线程的同步与锁的使用，以确保程序的正确性和稳定性。
如何通过多线程提高程序运行速度
多线程是一种并行计算的方式，可以同时执行多个任务，从而提高程序运行速度。
在计算机系统中，每个线程都有自己的程序计数器、寄存器集合、栈和局部变量等。
多个线程可以共享全局变量和堆内存，从而实现任务的并行处理。
一、多线程的概念与好处多线程是指一个进程中同时运行多个线程，每个线程处理不同的任务。
相比于单线程，多线程可以更充分地利用计算机系统的资源，提高程序的运行效率。
多线程的好处有以下几个方面：1. 提高程序运行速度：通过同时执行多个任务，可以实现并行计算，从而减少程序的运行时间。
2. 提高计算机系统的资源利用率：通过合理安排线程的执行顺序，可以充分利用计算机系统的CPU、内存等资源，提高系统的整体性能。
3. 增强用户体验：多线程可以使程序的响应更加迅速，用户操作不再被等待，提高了用户的操作体验。
二、多线程的实现方式在Java语言中，多线程可以通过继承Thread类或者实现Runnable接口来实现。
下面分别介绍这两种方式。
1. 继承Thread类：通过继承Thread类，重写其run方法，即可创建一个新的线程。
然后调用start方法启动线程，并通过join方法等待线程执行完毕。
这种方式简单直接，但是由于Java不支持多重继承，因此在使用时可能会受到限制。
2. 实现Runnable接口：通过实现Runnable接口，重写其run方法，然后创建Thread对象，将实现了Runnable接口的对象作为参数传入，即可创建一个新的线程。
与继承Thread类相比，实现Runnable接口的方式更具灵活性，因为Java支持多个接口的实现。
三、多线程的注意事项在使用多线程的过程中，需要注意以下几点：1. 线程安全：多线程访问共享资源时，可能会导致数据不一致或者冲突的问题，因此需要采取一定的措施来保证线程的安全性，如使用锁机制、同步代码块等。
2. 上下文切换：在多线程之间进行切换时，需要保存和恢复线程的上下文信息，可能涉及到一定的开销。
为什么要使用多线程
为什么要使⽤多线程1．耗时的操作使⽤线程，提⾼应⽤程序响应2．并⾏操作时使⽤线程，如C/S架构的服务器端并发线程响应⽤户的请求。
3．多CPU系统中，使⽤线程提⾼CPU利⽤率4．改善程序结构。
⼀个既长⼜复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为⼏个独⽴或半独⽴的运⾏部分，这样的程序会利于理解和修改。
使⽤多线程的理由之⼀是和进程相⽐，它是⼀种⾮常花销⼩，切换快，更"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。
使⽤多线程的理由之⼆是线程间⽅便的通信机制。
对不同进程来说，它们具有独⽴的数据空间，要进⾏数据的传递只能通过通信的⽅式进⾏，这种⽅式不仅费时，⽽且很不⽅便。
线程则不然，由于同⼀进程下的线程之间共享数据空间，所以⼀个线程的数据可以直接为其它线程所⽤，这不仅快捷，⽽且⽅便。
当然，数据的共享也带来其他⼀些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的⼦程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地⽅。
除了以上所说的优点外，不和进程⽐较，多线程程序作为⼀种多任务、并发的⼯作⽅式，当然有以下的优点： 1) 提⾼应⽤程序响应。
这对图形界⾯的程序尤其有意义，当⼀个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、⿏标、菜单的操作，⽽使⽤多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于⼀个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。
2) 使多CPU系统更加有效。
操作系统会保证当线程数不⼤于CPU数⽬时，不同的线程运⾏于不同的CPU上。
操作系统的多任务与多线程支持
操作系统的多任务与多线程支持操作系统是计算机系统中最为核心的软件之一，它负责管理和控制计算机中的硬件资源以及运行程序的执行。
多任务和多线程是操作系统的两个重要特性，它们在提高计算机系统性能、资源利用率和用户体验等方面发挥着重要作用。
一、多任务支持多任务是指操作系统能够同时运行多个程序，并且给用户的感觉是这些程序在同时进行。
操作系统通过轮询或者中断的方式在不同程序之间进行切换，为每个程序分配一定的执行时间片，给用户一种同时运行多个程序的错觉。
多任务支持使得用户能够方便地在计算机上同时运行多个应用程序，例如同时打开多个浏览器窗口、编辑文档和播放音乐等。
同时，多任务也提高了计算机系统的资源利用率，因为在一个时间片内，操作系统可以将执行权交给其他程序，使得系统中的计算资源得到充分利用。
在多任务系统中，操作系统通过调度算法来决定每个程序的执行顺序和时间片大小。
常见的调度算法有先来先服务（FCFS）、时间片轮转、优先级调度等。
这些算法根据不同的系统需求和优先级策略来进行选择。
二、多线程支持多线程是指在一个程序内部，能够同时执行多个子任务或者称之为线程的部分。
多线程在一个进程内共享同一块内存空间，各个线程之间可以共享数据和资源，使得程序的并发度增加，进而提高系统的吞吐量和响应速度。
多线程支持使得程序在执行过程中能够以更高效的方式处理并发任务，因为线程之间切换的开销要远远小于进程之间的切换。
此外，多线程也能够简化程序的编写，通过将程序拆分为多个线程来处理不同的任务，使得程序的结构更加清晰和模块化。
在多线程系统中，操作系统需要提供线程的管理和调度功能。
通过线程调度算法，操作系统能够决定哪些线程先被执行、如何切换线程以及如何调整不同线程之间的优先级。
常见的线程调度算法有抢占式调度、协同式调度和时间片轮转等。
三、多任务与多线程的关系多任务和多线程是操作系统中相关但又具有不同概念和作用的特性。
多任务是指操作系统能够同时运行多个程序，而多线程是指一个程序内部可以同时执行多个线程。
操作系统实用教程——单用户多任务和多线程操作系统
操作系统实用教程——单用户多任务和多线程操作系统原著：David Levine 编译：王立群5.1、Macintoch计算机的起源在1973年，一种称为ALTO的革命性的计算机系统在施乐帕罗奥多研究中心被设计出来。
这种计算机从未销售过，但是有超过200台的这种计算机给予了大学和其他的研究所。
建造这种计算机每台大约花费32000美元，其包括革命性的技术，例如我们如今所知道的GUI的先驱、网卡的类型和鼠标等等。
后来的系统，叫做施乐之星，包含了许多相同的特性。
它以每台16600美元的价格销售。
这对于个人计算机来说仍然是昂贵的而且该系统在商业上并不成功。
但是，这些系统被另外一些有眼力的个人计算机制造商所看重，他们开始生产一些包含上述思想的、可接受的系统。
在这些拓荒者之中就有苹果计算机系统的Steven Jobs，该系统是首个在商业上成功的个人计算机。
苹果首先开发了Apple Lisa，以每台10000美元的价格零售。
它类似于施乐之星，也是在商业上失败的例子。
但是，苹果技术有所积累而最终在1984年提出了Macintoch个人计算机，以每台2500美元的价格零售，在相同的领域内像是IBM PC。
Mac似乎比Lisa更适合于普通人，GUI界面使得它非常易于使用，所以它很快就获得了成功。
Macintosh的硬件采用的是摩托罗拉68000系列的CPU。
5.2、Macintosh操作系统——系统1最早发布的Mac操作系统被称作系统1。
系统1有几个当时典型的操作系统的特征。
它也有几个因它的GUI所带来的唯一特性。
5.2.1、GUI系统1有桌面、窗口、图标以及鼠标、菜单和滚动条，见图5.1。
桌面上有一个通过拖放它们到图标上来删除项目的垃圾桶图标。
这些都是比喻的说法而且在今天来说是想当然的，但是在当时，它们是相当革命性的。
与Palm操作系统不同，该操作系统的设计假设屏幕足够的大，以容纳一个以上的窗口，或者用不占据整个屏幕的窗口来显示桌面。
什么情况下使用多线程
什么情况下使用多线程
使用多线程是为了能够同时处理多个任务，提高程序的并发性和响应性。
以下是一些常见的情况下使用多线程的场景。
1.高并发：当需要同时处理大量请求时，使用多线程可以提高系统的并发能力。
例如，一个网络服务器需要同时处理多个客户端请求，每个请求可能会导致服务器执行一些耗时的操作，如读取文件或数据库查询。
在这种情况下，每个请求可以分配一个线程来处理，而不会因为其中一些请求的阻塞而导致其他请求被延迟。
3.并行计算：当需要进行大规模计算或处理复杂算法时，使用多线程可以将计算任务分配给多个处理器或内核，并行执行。
这种方式可以有效地缩短计算时间，提高程序的性能。
例如，图像处理、视频编码、科学计算等领域通常会使用多线程进行并行计算。
4.IO密集型任务：当任务涉及到大量的IO操作时，使用多线程可以充分利用CPU的空闲时间，提高程序的执行效率。
例如，文件的读取和写入、网络通信等操作都可以使用多线程来实现。
5.交互性应用程序：当需要处理用户的输入和响应时，使用多线程可以提供更好的用户体验。
例如，给定一个图形界面应用程序，用户在主线程中进行操作，而与用户界面相关的任务可以在后台线程中执行，以避免在主线程中进行耗时的操作而导致界面冻结。
然而，使用多线程也存在一些潜在的问题和挑战，例如线程之间的同步和互斥、资源竞争、死锁等。
程序员需要仔细考虑这些问题，并采取适当的措施来解决和避免这些问题。
总而言之，使用多线程可以在合适的情况下提高程序的并发性和响应性，但也需要合理使用，并针对具体的需求选择适当的线程模型和同步机制。
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进程1 u
线程库
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线程库
进程3 u u u
进程4 u u u
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线程库
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内核 硬件
线程调度程序
CPU
CPU
CPU
CPU
CPU
Mach操作系统的线程机制
• 任务（类似进程）和线程 • 线程的数据结构(p.77) • 与线程相关的系统调用：创建、终止、挂起、 恢复等 • 线程分类：纯内核线程；用户任务的线程 （相当于Solaris中的轻质进程） • 线程库 • 线程库的实现方法
Solaris操作系统的线程机制
• Solaris的多线程结构：有关概念及图示 • 轻质进程
– UNIX和Solaris的进程表的比较：Solaris的进程不包括处理器 现场，该现场在轻质进程数据块。 – 轻质进程的本质是一个特殊的用户线程 – 轻质线程的局限性：开销大；占用内核资源多；仅涉及用户 空间（即上层）的操作开销小，同时涉及上下层的开销大。
– 基于线程(default)：每个用户线程使用一个内核用 户线程（相当于轻质进程），抢占式调度 – 基于协同例程：多个用户线程对应一个内核用户 线程，不可抢占式调度 – 基于任务：每个线程使用一个Mach 任务（即 UNIX进程）
习题
• • • • • 4.2 4.3 4.4 4.5 4.10
采用线程机制带来的好处
• 创建和撤消线程的开销大大小于创建和 撤消进程的开销 • 线程开关的开销大大小于进程开关开销 • 增加了通信的有效性 • 为便于实现线程机制，促使程序员设计 结构良好的程序
应用线程的例子
• • • • 前台和后台：输入、检查、修改、打印 异步处理：定期备份 加快处理速度：对数据的并行处理 组织复杂的工作：如DBMS对SQL语句 的处理 • 同时处理多个用户的服务请求：如民航 售票或证券交易
• 内核线程：数据结构；Solaris内核构成 • 用户线程：完全由线程库管理，与内核无关。 • 线程的执行
– 用户线程与轻质进程多对多：用户线程状态变化图 (p.75);LWP状态变化图(p.76) – 用户进程与轻质进程一对一：走则同行；停则同停
• 内核中断线程
– 中断处理由中断线程执行，并用锁或信号量互斥 – 实现方法及其性能分析(p.77页首)
线程的状态和线程管理
• 线程状态：就绪、运行、等待(p.62图4-1)
– 几点说明：无挂起状态；使用I/O时是否阻塞其他线 程；进程的状态只与资源有关了
• 线程的描述
– 进程现场：映象和保护体系（与资源有关） – 线程现场：状态、运行现场、执行堆栈…（与运行 有关） – 用面向对象的形式表示线程控制块（TCB）
Solaris多线程结构的有关概念
• 进程； • 用户级线程ULT：通过在进程地址空间的线程 库实现核级 线程之间的映射。LWP被内核独立调度并可 在多处理器上并行执行； • 内核级线程KLT：被调度并分派到一个处理器 上执行的基本实体。
Solaris的多线程结构有关概念图示
多线程的实现(2)
• 内核级线程（KLT）：什么是KLT；优点（多 处理器并行；阻塞时不相互牵制；内核线 程）；缺点（进出操作系统的两次模式转换 的开销） • KLT和ULT结合的方法：p.70图4.4c;四个容易 混淆的术语的解释（针对线程主，还是针对 线程运行的地址空间而言） • 线程库：
– 功能：支持ULT的开发和应用 – 所提供的过程调用 – 实现要点：尽量减少目态/管态间转换（每次转换 都涉及在不同的地址空间之间复制数据，开销很 大）；线程调度；编程接口
第4章 多线程——内容提要
• • • • • • • • 线程的概念 线程的好处 应用线程的例子 线程的状态和线程管理 多线程的实现 Solaris操作系统的线程机制 Mach操作系统的线程机制 习题
进程和线程的执行示意图
三个进程各占自己的资源，独自执行
同一进程中三个线程公用资源，独自执行
线程的概念和性质
• 进一步提高并行性的需求 – 并行性（多处理器）和并发性（单处理器） – 对并行的实际需求 – 并发的开销大：模式转换和进程开关 • 降低进程开关的开销的思路：将进程的资源占有和运行单元体 的两个角色分开 • 定义：线程是进程内的一个相对独立的、可调度的执行单元。 • 性质： – 进程内一个相对独立的可执行单元 – 操作系统的基本调度单元 – 每个进程至少要有一个或一个以上的线程 – 线程可以创建其他线程 – 同一个进程中的线程共享该进程的资源 – 线程间需要通信和同步机制 – 线程有生命期，有诞生和死亡
• 对象和类的概念 • 进程对象和线程对象：p.65表4.1和表4.2
• 线程的管理、线程组
– 基本管理方式：TCB队列 – 线程控制原语：创建、撤消、阻塞、挂起、解挂… – 以线程组的形式成组管理线程
多线程的实现(1)
• 基于线程观点的操作系统分类：单进程单线 程（MS-DOS）；多进程单线程（传统 UNIX）；单进程多线程；多进程多线程 （WINDOWS NT等）p.67 • 用户级和内核级线程：p.70图4.4 • 用户级线程（ULT）：定义；实现方式—线程 库；优点（开销小；适应多类应用；适应多 种操作系统）；问题（I/O时阻塞；时间片轮 转时线程与进程状态不协调）；缺点（阻塞 多个线程；饥饿；无法享受多处理器）；解 决方案（监控程序和虚拟时钟、I/O外套程 序）；其他问题（对共享存区的保护、多 CPU）；实际数据