操作系统-第四章-多线程编程

一、概述

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1.引入原因

• 性能：

  • 进程是重量级的，负载了程序运行的所有内容，进程操作开销大
  • Unix的轻型进程(fork)

• 应用：

  • 进程代码有并行执行的需求
    

• 硬件：

  • 多核处理器已经是主流硬件
  • 加速进程的运行
    
    

2.概念

• 线程(轻型进程，LWP)
• 进程内的一个代码片段可以被创建为一个线程
• 线程的状态：就绪、运行、等待等
• 线程的操作：创建、撤销、等待、唤醒
• 进程依旧是资源分配的基本单位
• 线程自己不拥有完整的系统资源，通过进程申请资源
• 与同一进程的其他线程共享代码段、数据段和其他操作系统资源
  
  

3.线程和进程

• 传统进程：
  • 可称为重型进程(heavy weight process)
  • 等价于只有一个线程的任务，主线程
  • 单线程模型
• 
• 
  
  

4.线程结构

• 代码和数据：来自进程
• 各类资源：来自进程
• 线程控制块(Thread Control Block，TCB)
  • 线程ID
  • 线程计数器PC
  • 寄存器集
  • 栈空间
    
    

5.线程优点

• 响应度高：
  • 线程创建开销小
  • 例：Web服务器
• 资源共享：
  • 进程中的线程可以共享进程资源
• 经济性：
  • 线程创建、上下文切换比进程快
• MP体系结构的运用：
  • 一个进程中的线程在不同处理器上并行运行，缩短了运行时间
    
    

6.多核编程

• 单处理器系统发展成为多处理器系统，无论多个计算核是在多个CPU芯片上还是在单个CPU芯片上，都称为多核或多处理器系统
• 多线程编程提供机制，以便更有效地使用这些多个计算核和改进地并发性
• 并行类型
  • 数据并行
    • 注重将数据分布于多个计算核上，并在每个核上执行相同的操作
  • 任务并行
    • 将任务分配到多个计算核上，每个线程都执行一个独特的操作。不同线程可以操作相同的数据，或者也可以操作不同的数据

7.Windows线程

8.Linux线程

二、多线程模型

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1.用户线程

• 用户线程：由用户线程库进行管理的线程
  • 内核看不到用户线程
  • 用户线程的创建和调度在用户空间中，不需要内核的干预
  • 应用于传统的只支持进程的操作系统
    
    

2.内核线程

• 内核线程：内核进行管理的线程
  • 需要内核支持
  • 由内核完成线程调度
  • 由内核进行创建和撤销
    
    

3.多线程模型

多对一模型

• 不支持内核线程的操作系统
  • 内核只有进程
• 内核只看到一个进程
  • 缺点：多个线程不能并行运行在多个处理器上
• 进程中的用户线程由进程自己管理
  • 优点：进程内线程切换不会导致进程切换
  • 一个线程的系统调用会导致整个进程阻塞

一对一模型

• 用于支持线程的操作系统
  • 用户线程映射到内核线程
  • 操作系统管理这些线程
• 并发性好：多个线程可并发运行在多个处理器上
• 创建以一个用户线程就要创建一个相应的内核线程，内核开销大

多对多模型

• 多个用户线程映射为相等或更小数目的内核线程
  • 并发性和效率兼顾
  • 增加复杂度
• 双层模型：
  • 多路复用多个用户级线程到同样数量或更少数量的内核线程，但也允许绑定某个用户线程到一个内核线程
    
    

三、线程库

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1.概念

• 为程序员提供了创建和管理线程的API
• 两种模式：
  • 用户库(用户线程)
    • 存在于用户空间
    • 不需要内核支持
    • 调用线程库不会产生系统调用
  • 内核库(内核线程)
    • 存在于内核
    • 操作系统支持
    • 调用线程库会产生系统调用
• 线程创建策略
  • 主线程可以不断地创建子线程；子线程自己本身有回收内存资源的能力
  • 异步线程
    • 一旦父线程创建了一个子线程，父线程就恢复自身的执行，这样父线程与子线程会并发执行。每个线程的运行独立于其他线程，父线程无需知道子线程何时终止，所以线程之间通常很少有数据共享
  • 同步线程
    • 如果父线程创建一个或多个子线程后，那么在恢复执行之前应等待所有子线程的终止(分叉-连接策略)，这就出现了同步线程
• 常用线程库
  • Windows线程库：内核级
  • Pthreads线程库：用户级
  • JAVA线程库：用户级
    
    

2.Win32线程库

• Windows操作系统支持线程技术，所以Win32线程库实际上包含在Win32 API中
  • Win32线程库是内核库
  • 内核线程
  • 线程创建方法
    • Win32 API
    • MFC
    • .Net Framework
• Windows线程
  • 一对一映射
  • 每个线程包括：
    • 线程id
    • 寄存器集合
    • 堆栈
    • 私有数据
  • 线程主要的数据结构
    • 
    • ETHREAD：执行线程块
    • KTHREAD：核心线程块
    • TEB：线程环境块
  • 
    
    

3.Pthreads线程库

• POSIX标准，可移植操作系统接口
  • IEEE定义了操作系统为应用程序提供的接口标准
  • 为各种Unix软件定义的一系列API标准总称为POSIX
• Pthreads：POSIX线程
  • 线程的POSIX标准
  • 定义了创建和管理线程的一整套API
  • 常用于UNIX类操作系统
  • Windows也有移植版pthreads-win32
  • 一般为用户线程
    
    

4.Java线程库

• Java线程由JAVA虚拟机JVM管理
  • 用户线程
  • JAVA线程操作系统不可见
  • 定义了创建和操纵线程的一整套API
  • 跨操作系统平台
• Java线程创建
  • 扩展java.lang.Thread类
  • 实现Runnable接口
• 
  
  

三、隐式线程

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1.概述

• 随着进程中线程数量的增加编程越来越大困难
• 新方法：由编译器或运行库创建或管理线程
• 三种模式：
  • Thread Pools
  • OpenMP
  • Grand Central Dispatch
    
    

2.Thread池

• 在池中创建一批线程，等到任务
• 优点：
  • 利用线程池中的线程来响应请求比创建一个线程更加快速
  • 允许一个应用程序中的线程数量达到线程池的上限
  • 线程池限制了任何时候可用线程的数量
  • 将要执行任务从创建任务的机制中分离出来，允许我们采用不同策略运行任务
    
    

3.OpenMP

• OpenMp为一组编译指令和API，用于编写C，C++，FORTRAN等语言的程序，支持共享内存环境下的并行编程
• OpenMP识别并行区间，即可并行运行的代码块
  
  

4.大中央调度(GCD)

• Apple在Mac OSX和IOS引用的技术
• C，C++，Swift，API，运行库的扩展
• 识别并行区间
• GCD提供调度队列来处理提交的任务
  • 管理向GCD提交的任务并且以先进先出的顺序来执行任务
• 顺序调度队列
  • 顺序队列中的任务同一时间只执行一件
• 并发调度队列
  • 并发队伍中的多个任务可以并行执行