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  • 1.1.线程概念(学习)

    本章理解以下内容:

    • 什么是多任务,以及多任务的不同类型
    • 进程的概念
    • 线程的概念
    • 什么是主线程
    • 什么是辅线程
    1.  多任务

        多任务术语:操作系统一次性运行多个应用程序的能力;例如:在windows操作系统上打开了两个窗口Microsoft窗口和一个Microsoft outlook窗口。

      另外,系统面板显示出系统后台还运行有其他应用程序。在这“应用程序”这个词不是很恰当,其实我们指的是线程。    

        传统上,多个任务有不同的风格。目前,Windows在线程中使用了一种风格。

           a.在Windows系统早期版本(Windows 3.x)以及其他一些操作系统中,系统允许运行一个程序,直到该程序将占用的处理器资源释放给正在运行其他应用程序为止,从而实现协作。

          因为这种方式是由应用程序与其他正在运行的程序协作,所以称为协作多式任务

          这种任务缺点是:如果一个程序不释放处理资源,其他程序就会被锁定。这像购买火车站里排队一样,出纳员一次只对一个顾客提供服务,在完成所有的事务处理之前,顾客不可能离开出纳窗口。

          b.现在,使用Windows的当前版本就不会遇到这样的问题了,操作系统现在处理多任务的方法有很大的不同。

          操作系统允许一个应用程序执行一段很短的时间,然后强制关闭它,让另一个应用程序执行。这种中断式多任务风格称为抢先式多任务机制

          抢先式多任务机制解决了处理器被锁定的问题,但同时带来了其他问题:

          应用程序会共享诸如数据库连接和文件之类的资源。如果两个应用程序同时访问同一个资源会如何呢?

          一个程序修改了数据,然后中断,让另一个程序也对这个数据进行修改。现在两个应用程序都修改了同一个数据。

         可以使用同步技术可以解决抢先式多任务问题。

      2.进程

        当启动应用程序时,系统就会为该应用程序分配所需内存以及其他资源。

        内存和资源的物理分离叫作进程。

        当然应用程序可以启动多个进程。注意:“应用程序”和“进程”并不是同义词。分配给进程的内存与其他进程分配的内存被隔离,只有所属的那个进程才可以访问它。应用程序可能包含一个或多个进程。每个进程都有自己的独立的数据、执行代码和系统资源。

      3.线程

        在Windows操作系统启动任务管理器窗口中,包含了进程使用cpu的汇总信息,这是因为进程也有一个有计算机的处理器使用的执行次序这个执行次序称为线程

    进程由寄存器定义,记录CPU的使用情况、线程使用的堆栈以及跟踪线程当前状态的容器。这个容器就叫作线程本地存储区。

        3.1 单线程

          每个进程至少有一个执行顺序或线程。创建一个进程包括在指令中的某一点启动线程。这个最初的线程称为基本线程或主线程。比如:Mian方法,winform 中application.Run()开始。 

          更准确的将,线程其实是指向进程的指令流部分的一个指针,线程实际是不包含指令,只是指出了当前和将来可能要使用的路径,而这是通过数据和分支判断确定指令来完成的。

        3.2时间片

          在讨论多任务时,操作系统为每个应用程序都授权了一个时间段,让应用程序在这个时间段中运行,之后中断该应用程序,让其他应用程序执行。

      这样说其实是不太准确,实际上是处理器给进程授予时间。进程能够执行的时段称为时间片或时间量。程序员并不知道这个时间片,除操作系统之外,谁也无法预计时间片。所以程序员不应该把时间片看作一个常量。每个操作系统和处理器可能被分配了不同的时间片。

        这时候就会产生一个问题,如果每个进程都进行物理分离,就应该考虑如何安排它们怎么执行。

       3.3 多线程

          可以将进程分解,以共享分配给它的时间片。通过在进程中产生额外的执行线程,就可以分解进程。可以产生一个额外的线程来完成后台工作,例如:访问网络或查询数据库。

        这些辅线程常常用于完成某项工作,因此称为工作线程(Worker thread)。

        这些线程将共享进程的内存空间。在进程产生的新线程就称为自由线程

        还有单元线程模型有很大的区别,在单元线程中,每个进程都拥有需要执行的全局数据的副本。而每个生成的线程都是在它本身的进程产生的,所以不能共享内存的数据。

        而自由线程是将进程分解,以共享进程的内存空间,所以能共享内存的数据,但是处理器每次只执行一个线程,但是可以拥有多个cpu可供选择,.net还可以控制进程使用那个CPU。通过System.Diagnostics命名空间Prcoess类的PrcoessorAffinity属性,就可以完成这项工作。在同一个时间片有可能执行同一个进程中的线程,也可能执行另一个进程中的线程。

        3.4 中断与线程本地存储的工作原理

          当一个线程运行的时间超出了为它分配的时间片时,它不是停下来等待。每个处理器一次只能处理一个任务,所以当前的线程必须摆脱这种情况。但是,在当前线程再次跳出线程队列之前,必须存储状态信息,才能在下次执行时从本次中断的位置开始。这是线程本地存储器(Thread Local Storage, TLS)的一项功能。线程的TLS包括了寄存器、线程指针、调度信息、内存中的地址空间和其他资源的使用信息。存储在TLS中的一个寄存器是程序计数器,该计数器可以告诉线程接下来应该执行那条指令。

        3.4.1 中断

          中断是一种机制,并不是真正的中断一个线程,而是当线程发生中断时,Windows就使用一个特殊的函数,即中断处理程序将这个线程状态存储在 TLS中。对于中断之前存储的那个线程来书,当前的程序计数器也存储在TLS中。这个程序计数器仅仅是当前执行的指令的地址(注意:TLS实际并没有保存到队列中,而是保存在包含这个线程的进程的内存中,实际保存到队列中的是指向该内存的指针)。一旦线程的执行超时,它就会移到线程队列的末尾,并基于线程的优先级等候再次轮到自己执行。

       3.4.2 线程睡眠与时钟中断

          当线程中断后下一次再恢复执行时,资源又可能还是无法使用,甚至10或20次的执行中。这时候我们就会考虑线程是否退出执行的队列较长时间,这样,处理器就不必在从一个线程到另一个线程来回切换中浪费时间。线程自动退出队列执行一段时间,就称为睡眠,当线程进入睡眠时,它就会再次打包的到TLS中,不过这次,TLS并没有把该线程放到队列末尾,而是放到一个独立的睡眠队列中,为了睡眠队列上的线程再次执行,需要用另一种中断来标记它们,称为时间中断

      3.4.3 线程终止

        在执行另一个线程的过程中,可以用一个请求显式的停止线程执行。当以这种方式结束线程时,称为终止。当线程结束时,线程的TLS就会释放其内存。但线程所使用的进程中的数据仍然存在,除非进程也结束。

      3.4.4 线程的优先级

        windows 将线程的优先级分为0-31级别,数字越大表示优先级越高。

        只有系统设置为0级别,说明线程是空闲的。Windows 系统的用户可以设置1-15的优先级,而只有windows系统的管理员才能高于15优先级。

        处理器将以优先级最高则最先执行的原则来调度所有线程,同一级别的将以线程循环的方式依次执行,优先级最高执行完之后,就执行仅次于其优先级的线程。

        

      

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