并发编程之线程(理论)

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一、什么是线程

  在传统操作系统中,每个进程有一个地址空间,而默认就有一个控制线程

  线程故名思意,就是一条流水工作的过程,一条流水线必须属于一个车间,一个车间工作过程是一个进程,车间负责把资源整合到一起,是一个资源单位,而一个车间内至少有一个流水线,流水线的工作需要电源,电源就相当于cpu;所以,进程只是用来把资源集中到一起(进程只是一个资源单位,或者说资源集合),而线程才是cpu上的执行单位。

  多线程(即多个控制线程)的定义:在一个进程中存在多个控制线程,多个控制线程共享该进程的地址空间。

二、线程的创建开销小

  创建进程的开销要远大于线程?

  如果我们的软件是一个工厂,该工厂有多条流水线,流水线工作需要电源,电源只有一个即cpu(单核cpu);一个车间就是一个进程,一个车间至少一条流水线(一个进程至少一个线程);创建一个进程,就是创建一个车间(申请空间,在该空间内建立至少一条流水线);而创建线程,就是在一个车间内造一条流水线,无需申请空间,所以创建空间小。

  进程之间十竞争关系,线程之间是协作关系?

  车间直接是竞争/强电源的关系,竞争(不同的进程直接是竞争关系,是不同的程序猿写的程序运行的,,迅雷抢占其他进程的网速,360把其他进程当做病毒干死);一个车间的不同流水线式协同工作的关系(同一个进程的线程之间的关系式合作关系,是同一个程序猿写的程序内开启,迅雷内的线程是合作关系,不会自己干自己)

三、线程与进程的区别

  1、Threads share the address space of the process that created it; processes have their own address space.
  2、Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data 
segment of the parent process.
  3、Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess 
communication to communicate with sibling processes.
  4、New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
  5、Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise 
control over child processes.
  6、Changes to the main thread (cancellation, priority change, etc.) may affect the behavior of the other threads of 
the process; changes to the parent process does not affect child processes.

四、为何要使用多线程

  多线程指的是,在一个进程中开启多个线程,简单点说:如果多个任务共同用一块地址空间,那么必须在要给进程内开启多个线程,详细分为4点:

  1、多线程共享一个进程的地址空间。

  2、线程比进程更轻量级,线程比进程宫容易创建可撤销,在许多操作系统中,创建一个线程比创建一个进程要快10-100倍,在有大量线程需要动态和快速修改时,这一特性很有用。

  3、若多个线程都是cpu密集型的那么并不能获得性能上的增强,但是如果存在大量的计算和大量的I/O处理,拥有多个线程允许这些活动彼此重叠运行,从而会加快程序执行的速度。

  4、在多cpu系统中,为了最大限度的利用多核,可以开启多个线程,比开进程开销要小的多。

五、多线程的应用举例

 并发编程之线程(理论)_第1张图片

  在开启一个字处理软件进程,该进程肯定需要办的不止是一件事情,比如监听键盘输入,处理文字,定时自动将文字保存到硬盘,这三个任务操作的都是同一块数据,因而不能用多进程。只能在一个进程里并发地开启三个线程,如果时单线程,那就只能时键盘输入时,不能处理文字和自动保存,自动保存时又不能输入和处理文字。

六、经典的线程模型(了解)

  多个线程共享同一个进程的地址空间中的资源,是对一台计算机上多个进程的模拟,有时也程线程为轻量级的进程。而对一台计算机上的多个进程,则共享物理内存,磁盘,打印机等其他物理资源。

  多线程的运行跟多进程的运行类似,是cpu在多个线程之间的快速切换。

并发编程之线程(理论)_第2张图片

  不同的进程之间是充满敌意的,彼此抢占、竞争cpu的关系,如果迅雷和QQ抢占资源。而同一个进程是由一个程序猿的程序创建,所以同一进程内的线程是合作关系,一个线程可以访问另一个线程的内存地址,大家都是共享的,一个线程干死了另一个线程的内存,那纯属程序猿有问题了。

  类似于进程,每个线程也有自己的堆栈

并发编程之线程(理论)_第3张图片

  不同于进程,线程库无法利用时钟中断强制线程让出CPU,可以调用thread_yield运行线程自动放弃cpu,让另一个线程运行。

  线程通常都是有益的,但是带来了不小程序设计难度,线程的问题是:

    1、父进程有多个线程,那么开启的子线程是否需要同样多的线程。 如果是,那么父进程中某个线程被阻塞,那么copy到子进程后,copy版的线程也要被阻塞吗,想一想nginx的多线程模式接收用户连接。

    2、在用一个线程,如果一个线程关闭了问题,而另个一线程正准备王改文件内些内容呢?   如果一个线程注意到没有内存了,并开始分配更多的内存,在工作一半时,发生线程切换,新的线程也发现内存不够用了,又开始分配更多的内存,这样内存就被分配了多次,这些问题都是多线程编程的经典问题。

七、POSIX线程(了解)

  为了实现可以移植的线程程序,IEEE在IEEE标准1003.1c中定义了线程标准,它定义的线程包叫Pthread。大部分UNIX系统都支持该标准,简单介绍如下表:

线程调用                         描述                                                             
Pthread_create 创建一个新线程
Pthread_exit 结束调用的线程
Pthread_join 等待一个特定的线程退出
Pthread_yield 释放CPU来运行另一个线程
Pthread_attr_init 创建并初始化一个线程的属性结构
Pthread_attr_destroy 删除一个线程的属性结构

 

八、在用户空间实现的线程(了解)

  线程的实现可以分为两类:用户级线程(User-Level Thread)和内核线程(Kernel-Level Thread),后者又称为内核支持的线程或者轻量级进程。在多线程操作系统中,各个系统的实现方式并不相同,在有的系统中实现了用户级线程,有的系统中实现了内核级线程。

  用户级线程内核的切换有用户态程序自己控制内核切换,不需要干涉,少了进出内核态的消耗,但不能很好的利用多核CPU,目前Linux pthread大体是这么做的。

并发编程之线程(理论)_第4张图片

  在用户空间模拟操作系统对进程的调度,来调用一个进程中的线程,每个进程中都会有一个运行时系统,用来调用线程,此时当该进程获取cpu时,进程内再调度出一个线程去执行,同一时刻只有一个线程执行。

九、在内核空间实现的线程(了解)

  内核级线程:切换由内核控制,当线程进行切换的时候,由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态;可以很好的利用smp,即利用多核cpu。Windows线程就是这样的。

并发编程之线程(理论)_第5张图片

 

十、用户级与内核级线程的对比(了解)

  (一)、用户级线程和内核级线程的区别:

    1、内核支持线程是OS内核可感知的,而用户级线程是OS内核不可感知的。

    2、用户级线程的创建、撤销和调度不需要OS内核的支持,是再语言(如Java)者一级处理的;而内核支持线程的创建、撤销和调度都需要OS内核提供支持,而且与进程的创建、撤销和调度大体是相同的。

    3、用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断,而内核支持线程执行系统调用指令时,只导致该线程被中断。

    4、在只有用户级线程的系统内,cpu调度还是以进程为单位,处于运行状态的进程中的多个线程,由用户程序控制线程的轮换运行;在有内核支持线程的系统中,cpu调度则以线程为单位,由OS的线程调度程序负责线程的调度。

    5、用户级线程的程序实体时运行在用户态下的程序,而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。

  (二)、内核线程的优缺点

    优点:

      当有多个处理机制时,一个进程的多个线程可以同时执行。

    缺点:

      由内核调度运行。

  (三)、用户进程的优缺点:

    优点:

      1、线程的调度不需要内核直接参与,控制简单。

      2、可以在不支持线程的操作系统中实现。

      3、创建和销毁线程、线程切换代价跟线程管理的代价比内核线程小得多。

      4、允许每个进程定制自己的调度算法,线程管理比较灵活。

      5、线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。

      6、同一进程中只能同时有一个线程在允许,如果有个一线程使用了系统调用而阻塞,那么整个进程都会被挂起。另外,页面失效也会产生同样的问题。

    缺点:

      资源调度按照进程进行,多个处理机制下,同一个进程中的线程只能在同一个处理机制下分时复用。

十一、混合实现(了解)

  用户级与内核级的多路复用,内核同一调度内核线程,每个线程对应n个用户线程。

并发编程之线程(理论)_第6张图片

 

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