11.1 线程（Thread）概述

我们今天的课程会讨论线程以及XV6如何实现线程切换。今天这节课与之前介绍的系统调用，Interrupt，page table和锁的课程一样，都是有关XV6底层实现的课程。今天我们将讨论XV6如何在多个线程之间完成切换。

为什么计算机需要运行多线程？可以归结为以下原因：

• 首先，人们希望他们的计算机在同一时间不是只执行一个任务。有可能计算机需要执行分时复用的任务，例如MIT的公共计算机系统Athena允许多个用户同时登陆一台计算机，并运行各自的进程。甚至在一个单用户的计算机或者在你的iphone上，你会运行多个进程，并期望计算机完成所有的任务而不仅仅只是一个任务。

• 其次，多线程可以让程序的结构变得简单。线程在有些场合可以帮助程序员将代码以简单优雅的方式进行组织，并减少复杂度。实际上在第一个lab中prime number部分，通过多个进程可以更简单，方便，优雅的组织代码。

• 最后，使用多线程可以通过并行运算，在拥有多核CPU的计算机上获得更快的处理速度。常见的方式是将程序进行拆分，并通过线程在不同的CPU核上运行程序的不同部分。如果你足够幸运的话，你可以将你的程序拆分并在4个CPU核上通过4个线程运行你的程序，同时你也可以获取4倍的程序运行速度。你可以认为XV6就是一个多CPU并行运算的程序。

所以，线程可以认为是一种在有多个任务时简化编程的抽象。一个线程可以认为是串行执行代码的单元。如果你写了一个程序只是按顺序执行代码，那么你可以认为这个程序就是个单线程程序，这是对于线程的一种宽松的定义。虽然人们对于线程有很多不同的定义，在这里，我们认为线程就是单个串行执行代码的单元，它只占用一个CPU并且以普通的方式一个接一个的执行指令。

除此之外，线程还具有状态，我们可以随时保存线程的状态并暂停线程的运行，并在之后通过恢复状态来恢复线程的运行。线程的状态包含了三个部分：

• 程序计数器（Program Counter），它表示当前线程执行指令的位置。

• 保存变量的寄存器。

• 程序的Stack（注，详见5.5）。通常来说每个线程都有属于自己的Stack，Stack记录了函数调用的记录，并反映了当前线程的执行点。

操作系统中线程系统的工作就是管理多个线程的运行。我们可能会启动成百上千个线程，而线程系统的工作就是弄清楚如何管理这些线程并让它们都能运行。

多线程的并行运行主要有两个策略：

• 第一个策略是在多核处理器上使用多个CPU，每个CPU都可以运行一个线程，如果你有4个CPU，那么每个CPU可以运行一个线程。每个线程自动的根据所在CPU就有了程序计数器和寄存器。但是如果你只有4个CPU，却有上千个线程，每个CPU只运行一个线程就不能解决这里的问题了。

• 所以这节课大部分时间我们都会关注第二个策略，也就是一个CPU在多个线程之间来回切换。假设我只有一个CPU，但是有1000个线程，我们接下来将会看到XV6是如何实现线程切换使得XV6能够先运行一个线程，之后将线程的状态保存，再切换至运行第二个线程，然后再是第三个线程，依次类推直到每个线程都运行了一会，再回来重新执行第一个线程。

实际上，与大多数其他操作系统一样，XV6结合了这两种策略，首先线程会运行在所有可用的CPU核上，其次每个CPU核会在多个线程之间切换，因为通常来说，线程数会远远多于CPU的核数。

不同线程系统之间的一个主要的区别就是，线程之间是否会共享内存。一种可能是你有一个地址空间，多个线程都在这一个地址空间内运行，并且它们可以看到彼此的更新。比如说共享一个地址空间的线程修改了一个变量，共享地址空间的另一个线程可以看到变量的修改。所以当多个线程运行在一个共享地址空间时，我们需要用到上节课讲到的锁。

XV6内核共享了内存，并且XV6支持内核线程的概念，对于每个用户进程都有一个内核线程来执行来自用户进程的系统调用。所有的内核线程都共享了内核内存，所以XV6的内核线程的确会共享内存。

另一方面，XV6还有另外一种线程。每一个用户进程都有独立的内存地址空间（注，详见4.2），并且包含了一个线程，这个线程控制了用户进程代码指令的执行。所以XV6中的用户线程之间没有共享内存，你可以有多个用户进程，但是每个用户进程都是拥有一个线程的独立地址空间。XV6中的进程不会共享内存。

在一些其他更加复杂的系统中，例如Linux，允许在一个用户进程中包含多个线程，进程中的多个线程共享进程的地址空间。当你想要实现一个运行在多个CPU核上的用户进程时，你就可以在用户进程中创建多个线程。Linux中也用到了很多我们今天会介绍的技术，但是在Linux中跟踪每个进程的多个线程比XV6中每个进程只有一个线程要复杂的多。

还有一些其他的方式可以支持在一台计算机上交织的运行多个任务，我们不会讨论它们，但是如果你感兴趣的话，你可以去搜索event-driven programming或者state machine，这些是在一台计算机上不使用线程但又能运行多个任务的技术。在所有的支持多任务的方法中，线程技术并不是非常有效的方法，但是线程通常是最方便，对程序员最友好的，并且可以用来支持大量不同任务的方法。