操作系統(tǒng)中線程概念的教學(xué)方法研究

王令群 韓彥嶺 李凈

摘要： 在《操作系統(tǒng)》課程中，線程是一個(gè)非常重要的概念，一直都是該課程的授課難點(diǎn)。結(jié)合幾年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，作者對(duì)其教法進(jìn)行探討和總結(jié)，提出了教授該概念的技巧和方法，實(shí)踐證明學(xué)生可徹底掌握線程的概念。

關(guān)鍵詞： 《操作系統(tǒng)》線程教學(xué)方法

1.引言

在《操作系統(tǒng)》課程中，線程是非常重要的概念之一，但由于其抽象性，學(xué)生在掌握理解時(shí)有一定難度，歷來(lái)都是教學(xué)難點(diǎn)。我在參加全國(guó)高校操作系統(tǒng)課程培訓(xùn)交流時(shí)，發(fā)現(xiàn)很多授課老師對(duì)線程的概念很含糊，解釋不清為何線程切換付出的時(shí)空代價(jià)比進(jìn)程切換小，學(xué)生更是一頭霧水。本文有針對(duì)性地采用實(shí)例教學(xué)和原理比較教學(xué)，注重對(duì)學(xué)生興趣的培養(yǎng)，采用將理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，打開(kāi)學(xué)生的謎團(tuán)，徹底理解線程的概念。授課中先以生活中生動(dòng)的實(shí)例解釋概念，使學(xué)生產(chǎn)生最直觀的認(rèn)識(shí)和理解，然后從原理出發(fā)，揭開(kāi)線程的面紗。

理解線程，必須首先掌握程序、進(jìn)程的概念，本文首先介紹程序、進(jìn)程和線程的關(guān)系與區(qū)別，其次進(jìn)一步從原理出發(fā)解釋進(jìn)程和線程切換過(guò)程及切換中系統(tǒng)付出的代價(jià)，最后提出通過(guò)線程仿真編程使學(xué)生徹底掌握線程的概念。

2.程序、進(jìn)程和線程的關(guān)系與區(qū)別

2.1程序和進(jìn)程

程序（Program）是為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)或解決特定問(wèn)題而用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)的命令序列的集合，是存儲(chǔ)在外存儲(chǔ)器的，是靜態(tài)的。而進(jìn)程（Process）則是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是動(dòng)態(tài)的。對(duì)此概念的理解可以使用例子：可以把一首歌曲的曲譜看成是程序，根據(jù)曲譜演奏音樂(lè)就是進(jìn)程，曲譜可以長(zhǎng)期保存，而演奏是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，同一個(gè)曲譜可以多次演奏，一次演奏也可以綜合多個(gè)曲譜。

關(guān)于進(jìn)程的進(jìn)一步講解如下。

程序在運(yùn)行過(guò)程中需要占有計(jì)算機(jī)的各種資源才能運(yùn)行。如果任一時(shí)刻，系統(tǒng)中只有一道程序，即單道程序系統(tǒng)，程序則在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中獨(dú)占計(jì)算機(jī)全部資源，整個(gè)程序運(yùn)行的過(guò)程就非常簡(jiǎn)單，管理起來(lái)也非常容易。比方說(shuō)當(dāng)今的房?jī)r(jià)和租金都非常高，如果一個(gè)職員A獨(dú)自租了一套房子，他想看電視就看電視，想去衛(wèi)生間就去衛(wèi)生間，就沒(méi)人和他搶占資源。但為了提高資源利用率和系統(tǒng)處理能力，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是多道程序系統(tǒng)，即多道程序并發(fā)執(zhí)行。程序的并發(fā)執(zhí)行帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，如資源的共享與競(jìng)爭(zhēng)，它會(huì)改變程序的執(zhí)行速度。好比上例中由于租金過(guò)高，A經(jīng)濟(jì)壓力過(guò)大，只好和B合租一套，當(dāng)A想去衛(wèi)生間的時(shí)候，如果此時(shí)B在使用衛(wèi)生間，則A只得等待，影響了A的節(jié)奏。如果程序執(zhí)行速度不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致程序的執(zhí)行結(jié)果失去封閉性和可再現(xiàn)性，這是我們不希望看到的。因此應(yīng)該采取措施制約、控制各并發(fā)程序段的執(zhí)行速度。由于程序是靜態(tài)的，我們看到的程序是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)上的，它無(wú)法反映出程序執(zhí)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，而且程序在執(zhí)行過(guò)程中不斷申請(qǐng)資源，程序作為共享資源的基本單位是不合適的，需要引入一個(gè)概念，它能描述程序的執(zhí)行過(guò)程而且可以作為共享資源的基本單位，這個(gè)概念就是進(jìn)程。

2.2進(jìn)程和線程

在操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程的目的是使多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，改善資源利用率及提高系統(tǒng)的吞吐量；再引入線程（Thread）則是為了減少程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)付出的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)，使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。

“線程”其實(shí)并不是一個(gè)新的概念，實(shí)際上它是進(jìn)程概念的延伸。如果一個(gè)程序只有一個(gè)進(jìn)程就可以處理所有的任務(wù)，它就是單一線程的。如果一個(gè)程序可以被分解為多個(gè)進(jìn)程共同完成程序的任務(wù)，這個(gè)程序被分解的不同進(jìn)程就叫做線程（如圖1），也叫輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weight Processes）。線程有幾種模式，如單線程、單元線程模式和自由線程模式。

為了使學(xué)生理解線程概念，可以將程序比喻成一個(gè)搬家的過(guò)程：將所有物品從一所房子搬到另外一所房子。如果采用單線程方法，就需要你自己完成從打包到扛箱子、運(yùn)輸再到拆包的所有工作。如果使用多線程的單元模式，表示邀請(qǐng)了幾位朋友來(lái)幫忙，每個(gè)朋友都負(fù)責(zé)一個(gè)單獨(dú)的工作，并且不能幫助其他人，他們各自負(fù)責(zé)自己空間內(nèi)的物品搬運(yùn)。如果采用自由線程模式，邀請(qǐng)來(lái)的所有朋友就可以隨時(shí)在任何一個(gè)房間工作，共同打包物品。例子中搬家就是運(yùn)行所有線程的進(jìn)程，參與搬家的每個(gè)朋友所承擔(dān)的工作都是一個(gè)線程。顯然使用線程能夠更有效、更迅速地執(zhí)行程序。

3.對(duì)線程的進(jìn)一步理解

線程為輕量級(jí)進(jìn)程，也是CPU調(diào)度和分派的基本單元，線程不能夠獨(dú)立執(zhí)行，必須依存在某個(gè)進(jìn)程中；進(jìn)程則被稱(chēng)為重量級(jí)進(jìn)程，它是系統(tǒng)分配資源的單位，可擁有多個(gè)線程，能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，他們之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)單地由圖2表示。

線程和進(jìn)程的關(guān)系如下：線程是屬于進(jìn)程的，線程運(yùn)行在進(jìn)程空間內(nèi)，同一進(jìn)程產(chǎn)生的線程共享同一內(nèi)存空間，當(dāng)進(jìn)程退出時(shí)該進(jìn)程產(chǎn)生的線程都會(huì)被強(qiáng)制退出并清除。線程可與屬于同一進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程擁有的全部資源，但是其本身基本上不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一些在運(yùn)行中必不可少的信息（如程序計(jì)數(shù)器、一組寄存器和棧）。此外，由于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程具有相同的地址空間，在同步和通信的實(shí)現(xiàn)方面線程也比進(jìn)程容易。在一些操作系統(tǒng)中，線程的切換、同步和通信都無(wú)須操作系統(tǒng)內(nèi)核的干預(yù)。

由于進(jìn)程是一個(gè)資源的擁有者，因而在創(chuàng)建、撤銷(xiāo)和切換中，系統(tǒng)必須為之付出較大的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)。在系統(tǒng)中設(shè)置的進(jìn)程，其數(shù)目不宜過(guò)多，進(jìn)程切換的頻率也不宜過(guò)高，這就限制了并發(fā)程度的進(jìn)一步提高。引入線程后，因線程基本不攜帶資源，切換時(shí)系統(tǒng)付出的時(shí)空代價(jià)遠(yuǎn)小于進(jìn)程的切換，在這點(diǎn)上，很多老師講解不清為何線程攜帶資源少，切換時(shí)付出的時(shí)空代價(jià)也小，下面分別介紹進(jìn)程切換和線程切換的過(guò)程，以便幫助老師和學(xué)生理解線程切換的代價(jià)為何遠(yuǎn)小于進(jìn)程切換，進(jìn)而對(duì)線程有更深入的認(rèn)識(shí)。

3.1進(jìn)程的切換過(guò)程

進(jìn)行進(jìn)程切換就是從正在運(yùn)行的進(jìn)程中收回處理器，然后使待運(yùn)行的進(jìn)程占用處理器。這里所說(shuō)的從某個(gè)進(jìn)程收回處理器，實(shí)質(zhì)上就是把進(jìn)程存放在處理器的寄存器中的中間數(shù)據(jù)找個(gè)地方存起來(lái)，從而把處理器的寄存器騰出來(lái)讓其他進(jìn)程使用，被中止運(yùn)行進(jìn)程的中間數(shù)據(jù)則被存在進(jìn)程的私有堆棧中。讓進(jìn)程占用處理器，則是把該進(jìn)程存放在私有堆棧中寄存器的數(shù)據(jù)（前一次本進(jìn)程被中止時(shí)的中間數(shù)據(jù)）再恢復(fù)到處理器的寄存器中，并把待運(yùn)行進(jìn)程的斷點(diǎn)送入處理器的程序指針PC，于是待運(yùn)行進(jìn)程就開(kāi)始被處理器運(yùn)行了，也就是這個(gè)進(jìn)程已經(jīng)占有處理器的使用權(quán)了。這好比教室的切換，第一大節(jié)課結(jié)束后，正在使用教室的老師和學(xué)生帶著自己的物品離開(kāi)教室，老師會(huì)記住這堂課講到課本的第幾頁(yè)，然后第二大節(jié)課在該教室上課的老師和學(xué)生進(jìn)入該教室，開(kāi)始上課，這就是教室使用權(quán)切換的過(guò)程。

在切換時(shí)，一個(gè)進(jìn)程存儲(chǔ)在處理器各寄存器中的中間數(shù)據(jù)叫做進(jìn)程的上下文，所以進(jìn)程的切換實(shí)質(zhì)上就是被中止運(yùn)行進(jìn)程與待運(yùn)行進(jìn)程上下文的切換。在進(jìn)程未占用處理器時(shí)，進(jìn)程的上下文是存儲(chǔ)在進(jìn)程的私有堆棧中的。

在進(jìn)程切換時(shí)，被中止進(jìn)程保護(hù)斷點(diǎn)和待運(yùn)行進(jìn)程恢復(fù)斷點(diǎn)的示意圖，見(jiàn)圖3，被終止進(jìn)程需將處理器PC寄存器、PSW等寄存器的值保存至被中止進(jìn)程的私有堆棧，SP寄存器等值則保存至進(jìn)程控制塊；待運(yùn)行進(jìn)程則從進(jìn)程控制塊和私有堆棧中取出PC值、SP值、PSW值等上次被中斷時(shí)各寄存器的值并送入處理器的各個(gè)寄存器。在該過(guò)程中，需要保存和恢復(fù)的數(shù)據(jù)很多，系統(tǒng)付出的時(shí)間和空間代價(jià)比較大。

3.2線程切換過(guò)程

線程作為獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，只擁有在運(yùn)行中必需的少量資源（程序計(jì)數(shù)器，一組寄存器和棧），它和同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程擁有的全部資源。

在進(jìn)程切換時(shí)，涉及當(dāng)前進(jìn)程CPU環(huán)境的保存及新被調(diào)度運(yùn)行進(jìn)程的CPU環(huán)境的設(shè)置，需要保存和恢復(fù)大量的數(shù)據(jù)。而同一進(jìn)程的線程切換則僅需保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，程序和數(shù)據(jù)的地址空間不變，即不涉及存儲(chǔ)器管理方面的操作，故其切換代價(jià)遠(yuǎn)低于進(jìn)程。但如果從一個(gè)進(jìn)程中的線程切換到另一個(gè)進(jìn)程中的線程，就會(huì)引起進(jìn)程的切換。

4.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)掌握線程的概念

在深入理解線程的概念后，對(duì)于程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)比較好的學(xué)生，使用VC或JAVA語(yǔ)言多線程技術(shù)編寫(xiě)線程的同步與互斥程序，使他們通過(guò)學(xué)習(xí)和實(shí)際動(dòng)手編寫(xiě)程序更好地掌握線程的概念，提高思考和編程能力。

5.結(jié)語(yǔ)

線程是操作系統(tǒng)非常重要的概念，但因其概念抽象，不易理解，一直是教學(xué)難點(diǎn)之一，本文的實(shí)例教學(xué)和原理比較教學(xué)，可以使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)深入了解線程的概念，實(shí)踐證明了該方法的有效性，實(shí)例教學(xué)提高了學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)的興趣，后期的編程仿真增強(qiáng)了學(xué)生的編程能力，教學(xué)效果顯著。

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