11.6 线程的概念慕课视频播放-操作系统-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

下面我们来讨论线程

在刚才我们讨论进程的时候呢

每个进程内部它的指令执行呢

是有一个叫指令指针的寄存器来描述

当前这个进程执行到什么地方

但是在我们实际使用的时候呢

一个进程内部我也可能会希望

它有更好的并发性

那这就是我们在这里

引入线程的原因

那在这儿我们先讨论

引入线程我们通过一个实例来说

为什么我们要在一个进程内部

再进一步提高它的并发性

好然后说什么是一个线程

在这儿呢我们给入这样一个例子

说我有一个应用

这个应用呢是播放音频的 MP3

那它的功能呢包括这样几个方面

一个呢是说我从音频文件里头

读出相应的数据

然后通常情况下

我们的音频文件是压缩的

然后我需要对数据进行解压

解压之后呢

我送到声卡去进行播放

这是它要进行的三步

这三步呢我们怎么来实现呢

这个地方给出了一种

用单进程的方式来实现的

也就是说我在这个进程内部呢

做了一个循环

这个循环里头呢读数据

解压然后播放一步一步来

这个程序能很好的工作吗

那你说我在这里头

读磁盘足够速度快

然后解压足够速度快

那我解压完了之后给这边播放

播放还没有播放完之前

我下一部分的解压数据

能跟得上的话

这个程序是可以很好工作的

但是如果说你细看下去的话

这个程序会在什么地方有问题呢

第一部分它需要

频繁的进行IO操作进行读写

而第二部分呢

解压它主要是用CPU来算

这两个部分呢是交替进行的

实际上我们在系统里呢

这两个部分是

应该可以并发进行的

但实际上在这儿呢这件事情

做起来就比较困难了

如果说我在负载比较重的时候

或者说我的处理能力比较弱的时候

那这时候呢

播放声音的连贯性就会受到影响

然后它资源的利用效率呢

也会比较低

好因为这样的话

我就没有办法干别的事情了

因为要不然的话稍微慢一点

好最后我播出来的声音

也就是说在声音上一次给的

数据缓冲没播完之前

如果说你下一波数据没过来的话

那这地方声音它就会不连贯

那说这样播不好

那我们是不是可以把这个程序改成

由多个进程来一块写呢

好那这时候说我把它改成

三个进程来实现

第一个进程是

管读数据读到内存里头

第二个进程呢是管解压缩

第三个进程管播放

那第一个读完数据的时候给第二个

第二个解压的过程中

由于操作系统的并发性

我可以切换运行

好那这几个呢就可以

在你读数据的等待阶段

我就可以进行解压了

好这样的话说起来

它们实际上可以并行

但这时候呢

又有一个问题说

我在这个地方

在做这件事情的时候

它们之间如何来通讯

如何来共享数据

那我们在前面大家还记得

我们在讨论进程的时候

我们讨论进程控制块

主要的一个目的是说让

各个进程之间能很好进行隔离

而现在呢我们这几个隔离

不是它最主要的要求

它们需要的要求是

它们之间能更好共享数据

而这个要求和我们最开始设计进程

多进程的时候

它的目标呢是有一定矛盾的

好那在这种情况下

我们它的开销也是相对较大的

因为两个进程之间进行通讯

通常情况下都通过

系统调用要从内核里绕一圈

那如果说这些都是在一个进程内部

那这件事情就会好很多

正是由于这种缘故

我们希望在这里呢

得到这样一种对进程进行改进

在进程内部增加一类实体

使得这一类实体呢

在一个进程内部呢它可以并发执行

有多个指令指针在执行

同时呢它们之间共享的相同地址空间

这样呢它们的信息交流呢

会比原来更方便

因为这时候隔离

不是它们之间要解决的问题

因为它是密切相关的一组执行流

好而正是由于这种需求

就导致了我们线程的引入

好那这种思路目标我已经有了

那我怎么来做呢

这就是我们这里说的线程的概念

线程是进程的一部分

它描述指令执行流的状态

好那它在这里头我把进程当中的

关于执行流的信息呢剥离出来

构成我的线程

但它仍然是进程的一部分

这种剥离有什么样的好处呢

剥离它就可以为并发

在一个进程里头

有多个线程啊提供可能

好那这样的话把指令执行流的

最小单位变成是线程

然后CPU调度呢变成是线程

好有了这两条之后

那我在进程内部的并发呢

就变为可能了

好有了这种变化之后

我们原来的进程控制块

会是啥变化呢

好原来的进程呢

变成是资源分配的角色

那这是我们的地址空间

我们大家可以看到的

在这里头跟我们原来比的话

跟指令流相关东西就不放在进程里头了

那这里头跟它相关什么

就是堆栈

每个指令流它有函数调用的时候

它必须有自己独立的堆栈

好那这样我把它剥离出来

变成是我们这里的线程的组成部分

那线程呢是来负责处理机调度的对象

好那么在这儿呢我有若干个线程

我在这里有各自线程有自己堆栈

好那把相关的关于执行流的状态

的信息呢变成是线程控制块

好那这个线程控制块呢

也从属于我们的进程控制块

用指针指向它

好那这时候我就可以有多个指令指针

多个堆栈

和多个CPU里的寄存器的现场保护

因为这个现场保护是和执行流相关的

好有了这样一个概念之后呢

我们就可以在一个进程内部呢

提高它的并发程度

这个道理说完之后呢

它大致想起来是可以的

那这时候我们会做一些什么样的变化

好这是我们原来描述的进程的信息

有代码数据文件寄存器堆栈

这是我们原来有的

那在原来里头我只有一个指令指针

所以这部分只有一份

我改完之后变成什么样子呢

这是多线程的进程那在这里头呢

代码数据打开文件

仍然是和进程属性相关的

它是进程的属性

而跟执行流相关的

我可以变成多份

这时候呢寄存器堆栈

变成是我们线程的属性

线程是进程里的一部分

这时候这样做变化之后

我就可以有多个线程在一个进程内存在了

好那有了这样做之后呢

我们从道理上来讲我们多线程就可以

很好的支持进程内部的并发

好这是我们说线程是进程减去资源共享

剩下部分那就是我们执行流的信息

好那这样的话

我们这样做完之后

线程的引入有什么样好处呢

一个进程内有多个线程

线程之间呢可以并发执行

线程之间呢

可以共享地址空间和文件等资源

这样共享会变得方便

并发性会变得好

那它有啥麻烦呢

因为你在一个进程内部的多个指令流

那这时候呢它们之间的隔离就没有了

好如果说一个线程行为有异常

它改了另一个线程的相关信息

那么这时候你的整个进程地址空间里的

这些线程就都运行不了了

好这是呢但是说这种缺点呢是说

我们不是重点关注的

并且我认为各个线程之间

是相互合作的

所以它隔离的成分

我们不要求那么长

好那有了这样之后我们来说

现在我们在历史上这个变化的过程

这个多线程思路是很好的

那我们看一下这个思路

它在历史上出来的时候

它会是怎样一个变化的过程

也就是说我们现在这些系统里

是如何逐步来支持这个多线程的

最早的计算机系统呢

里头只有一个物理的

指令指针寄存器

那这就是我们最早的单进程系统

比如说像我们的MS-DOS整个系统里

只有一个指令指针流在跑

也就相当于这时候

我们关于进程管理这些机制呢

这里头都没有

好然后我们说希望提高它的并发性

好这时候加了多进程系统

那这时候呢我们传统的UNIX系统

就是从这么做起来的

这时候我们在进程切换

和进程之间的资源隔离

那都是在这个阶段给出来的

那有了这个阶段之后

我们想进一步提高

这个一个进程内部的并发性

就变成了我们现在的多线程系统

那在一个进程

同时有多线程和多进程

那就是我们现在的

这种系统里呢支持的情况

实际上在这里头我们还有一类系统

在现实的生活当中也是存在的

这就是单进程多线程系统

那这一些系统呢

通常情况下是对于

那些对并发执行要求高

对信息共享要求高的

但是对安全隔离

要求低的这些系统里头

比如说像我们的路由器里头

路由器里头呢

它是负责分组的转发

路由表的查询

这些是密切相关的

但是它们之间呢

需要很好的这个信息共享

但是由于他们都是一家做的

并且路由器里呢不支持

你第三方往顶上加自己的程序

好那这时候呢它的隔离

就做的比较弱

好那这样的话不做隔离的结果就是

我这里只支持一个进程里头

有很多的线程

比如说像我们用到的PSOS操作系统

它在路由器上用的它就有这种特征

好那有了这个之后那我们来看

进程和线程

它们实际上什么样的关系呢

进程是资源分配的单位

线程是处理机调度的单位

好进程和线程呢

一个是拥有完整的资源

一个是只拥有跟执行流相关的资源

那这样一来的话我们线程呢

它所要保存信息就少了

那在同一个进程里头

它们相互之间切换的时候

你需要保存的信息就少了

这个时候它的速度就会快

好每一个原来说跟执行相关的

这些进程状态

现在都转成是线程的状态了

所以线程有就绪等待执行运行

几种基本的状态

它们之间的状态的转换

跟我们前面讲的进程呢是完全一致的

好有了这些之后

那我们的线程呢

就会有很好的特征

那这时候它减少

并发执行的时间和空间开销

时间开销呢是指说创建终止切换

它的时间都会比原来少

这里所说的创建终止切换

是指在一个进程内部的线程的创建

如果说你创建一个

新的进程里的新线程

那和原来的进程创建呢

开销是相当的

甚至于有可能会多一点

好然后说我在这里头呢

它们之间的共享呢

会比原来更方便

好那到这个地方呢

我们就说清楚了线程的基本概念

那下面我们会去说如何来实现它

操作系统课程列表：

第零讲在线教学环境准备

-0.1 Piazza讨论区

--piazza访问和使用

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-0.2 在线实验平台

-0.2在线实验平台

第一讲操作系统概述

-1.1 课程概述

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-第一讲操作系统概述--练习

-1.2 教学安排

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-1.3 什么是操作系统

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-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统

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-1.5 操作系统实例

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-1.6 操作系统的演变

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-1.7 操作系统结构

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第二讲实验零操作系统实验环境准备

-2.1 前言和国内外现状

-2.2 OS实验目标

-2.3 8个OS实验概述

-2.4 实验环境搭建

-2.5 x86-32硬件介绍

-2.6 ucore部分编程技巧

-2.7 演示实验操作过程

--Q6

--Q7

--Q10

第三讲启动、中断、异常和系统调用

-3.1 BIOS

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-3.2 系统启动流程

--3.2 系统启动流程

-3.3 中断、异常和系统调用比较

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-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.3 中断、异常和系统调用比较

-3.4 系统调用

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-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.4 系统调用

-3.5 系统调用示例

--3.5 系统调用示例

-3.6 ucore+系统调用代码

--3.6 ucore+系统调用代码

第四讲实验一 bootloader启动ucore os

-4.1 启动顺序

-4.2 C函数调用的实现

-4.3 GCC内联汇编

-4.4 x86中断处理过程

-4.5 练习一

-4.6 练习二

-4.7 练习三

-4.8 练习四练习五

-4.9 练习六

第五讲物理内存管理: 连续内存分配

-5.1 计算机体系结构和内存层次

-5.2 地址空间和地址生成

-5.3 连续内存分配

-5.4 碎片整理

-5.5 伙伴系统

-第五讲物理内存管理: 连续内存分配--5.6 练习

第六讲物理内存管理: 非连续内存分配

-6.1 非连续内存分配的需求背景

-6.2 段式存储管理

-6.3 页式存储管理

-6.4 页表概述

-6.5 快表和多级页表

-6.6 反置页表

-6.7 段页式存储管理

-第六讲物理内存管理: 非连续内存分配--6.8 练习

第七讲实验二物理内存管理

-7.1 了解x86保护模式中的特权级

--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-第七讲实验二物理内存管理--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-7.2 了解特权级切换过程

--7.2 了解特权级切换过程

-第七讲实验二物理内存管理--7.2 了解特权级切换过程

-7.3 了解段/页表

--7.3 了解段/页表

-第七讲实验二物理内存管理--7.3 了解段/页表

-7.4 了解UCORE建立段/页表

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-第七讲实验二物理内存管理--7.4 了解UCORE建立段/页表

-7.5 演示lab2实验环节

--7.5 演示lab2实验环节

第八讲虚拟存储概念

-8.1 虚拟存储的需求背景

-8.2 覆盖和交换

-8.3 局部性原理

-8.4 虚拟存储概念

-8.5 虚拟页式存储

-8.6 缺页异常

第九讲页面置换算法

-9.1 页面置换算法的概念

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-9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

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-第九讲页面置换算法--9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

-9.3 时钟置换算法和最不常用算法

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-第九讲页面置换算法--9.3 时钟置换算法和最不常用算法

-9.4 Belady现象和局部置换算法比较

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-9.5 工作集置换算法

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-9.6 缺页率置换算法

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-9.7 抖动和负载控制

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第十讲实验三虚拟内存管理

-10.1 实验目标：虚存管理

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-第十讲实验三虚拟内存管理--10.1 实验目标：虚存管理

-10.2 回顾历史和了解当下

-- 10.2 回顾历史和了解当下

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.2 回顾历史和了解当下

-10.3 处理流程、关键数据结构和功能

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-第十讲实验三虚拟内存管理--10.3 处理流程、关键数据结构和功能

-10.4 页访问异常

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-第十讲实验三虚拟内存管理--10.4 页访问异常

-10.5 页换入换出机制

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-第十讲实验三虚拟内存管理--10.5 页换入换出机制

第十一讲进程和线程

-11.1 进程的概念

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-第十一讲进程和线程--11.1 进程的概念

-11.2 进程控制块

--11.2 进程控制块

-第十一讲进程和线程--11.2 进程控制块

-11.3 进程状态

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-第十一讲进程和线程--11.3 进程状态

-11.4 三状态进程模型

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-11.5 挂起进程模型

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-11.6 线程的概念

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-第十一讲进程和线程--11.6 线程的概念

-11.7 用户线程

--11.7 用户线程

-第十一讲进程和线程--11.7 用户线程

-11.8 内核线程

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-第十一讲进程和线程--11.8 内核线程

第十二讲进程控制

-12.1 进程切换

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-12.2 进程创建

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-12.3 进程加载

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-12.4 进程等待与退出

--12.4 进程等待与退出

-第十二讲进程控制--12.4 进程等待与退出

第十三讲实验四内核线程管理

-13.1 总体介绍

-13.2 关键数据结构

-13.3 执行流程

-13.4 实际操作

第十四讲实验五用户进程管理

-14.1 总体介绍

--14.1 总体介绍

-14.2 进程的内存布局

--14.2 进程的内存布局

-14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

--14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

-14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

--14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

-14.5 进程复制

--14.5 进程复制

-14.6 内存管理的copy-on-write机制

--14.6 内存管理的copy-on-write机制

第十五讲处理机调度

-15.1 处理机调度概念

--15.1 处理机调度概念

-第十五讲处理机调度--15.1 处理机调度概念

-15.2 调度准则

--15.2 调度准则

-15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-第十五讲处理机调度--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

-第十五讲处理机调度--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和uc

-15.5 实时调度和多处理器调度

--15.5 实时调度和多处理器调度

-第十五讲处理机调度--15.5 实时调度和多处理器调度

-15.6 优先级反置

--15.6 优先级反置

-第十五讲处理机调度--15.6 优先级反置

第十六讲实验六调度器

-16.1 总体介绍和调度过程

-16.2 调度算法支撑框架

-16.3 时间片轮转调度算法

-16.4 Stride调度算法

第十七讲同步互斥

-17.1 背景

--17.1 背景

-17.2 现实生活中的同步问题

--17.2 现实生活中的同步问题

-第十七讲同步互斥--17.2 现实生活中的同步问题

-17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-第十七讲同步互斥--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-17.4 基于软件的同步方法

--17.4 基于软件的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.4 基于软件的同步方法

-17.5 高级抽象的同步方法

--17.5 高级抽象的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.5 高级抽象的同步方法

第十八讲信号量与管程

-18.1 信号量

--18.1 信号量

-第十八讲信号量与管程--18.1 信号量

-18.2 信号量使用

--18.2 信号量使用

-第十八讲信号量与管程--18.2 信号量使用

-18.3 管程

--18.3 管程

-第十八讲信号量与管程--18.3 管程

-18.4 哲学家就餐问题

--18.4 哲学家就餐问题

-18.5 读者-写者问题

--18.5 读者-写者问题

第十九讲实验七同步互斥

-19.1 总体介绍

--19.1 总体介绍

-19.2 底层支撑

--19.2 底层支撑

-第十九讲实验七同步互斥--19.2 底层支撑

-19.3 信号量设计实现

--19.3 信号量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.3 信号量设计实现

-19.4 管程和条件变量设计实现

--19.4 管程和条件变量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现

-19.5 哲学家就餐问题

--19.5 哲学家就餐问题

第二十讲死锁和进程通信

-20.1 死锁概念

--20.1 死锁概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.1 死锁概念

-20.2 死锁处理方法

--20.2 死锁处理方法

-第二十讲死锁和进程通信--20.2 死锁处理方法

-20.3 银行家算法

--20.3 银行家算法

-第二十讲死锁和进程通信--20.3 银行家算法

-20.4 死锁检测

--20.4 死锁检测

-第二十讲死锁和进程通信--20.4 死锁检测

-20.5 进程通信概念

--20.5 进程通信概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.5 进程通信概念

-20.6 信号和管道

--20.6 信号和管道

-第二十讲死锁和进程通信--20.6 信号和管道

-20.7 消息队列和共享内存

--20.7 消息队列和共享内存

-第二十讲死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存

第二十一讲文件系统

-21.1 文件系统和文件

--21.1 文件系统和文件

-第二十一讲文件系统--21.1 文件系统和文件

-21.2 文件描述符

--21.2 文件描述符

-第二十一讲文件系统--21.2 文件描述符

-21.3 目录、文件别名和文件系统种类

--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-第二十一讲文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-21.4 虚拟文件系统

--21.4 虚拟文件系统

-第二十一讲文件系统--21.4 虚拟文件系统

-21.5 文件缓存和打开文件

--21.5 文件缓存和打开文件

-第二十一讲文件系统--21.5 文件缓存和打开文件

-21.6 文件分配

--21.6 文件分配

-第二十一讲文件系统--21.6 文件分配

-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

-第二十一讲文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

第二十二讲实验八文件系统

-22.1 总体介绍

--22.1 总体介绍

-第二十二讲实验八文件系统--22.1 总体介绍

-22.2 ucore 文件系统架构

--22.2 ucore 文件系统架构

-第二十二讲实验八文件系统--22.2 ucore 文件系统架构

-22.3 Simple File System分析

--22.3 Simple File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.3 Simple File System分析

-22.4 Virtual File System分析

--22.4 Virtual File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.4 Virtual File System分

-22.5 I/O设备接口分析

--22.5 I/O设备接口分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.5 I/O设备接口分析

-22.6 执行流程分析

--22.6 执行流程分析

第二十三讲 I/O子系统

-23.1 I/O特点

--视频

-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点

-23.2 I/O结构

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-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构

-23.3 I/O数据传输

--C58221E14388B9DB9C33DC5901307461

-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输

-23.4 磁盘调度

--567A3F1FCBFB3F4C9C33DC5901307461

-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度

-23.5 磁盘缓存

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-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存

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