操作系统学习笔记3--多线程编程

1.进程与线程

1.1线程和进程的异同

进程是系统资源分配的基本单位，线程比进程小，是调度的基本单位。

线程独立资源包括：线程id，程序计数器，寄存器租和堆栈。与其他线程共享资源包括：同一进程的代码段，数据段和其他资源，如io等。如果一个进程具有多个线程，那么对于多核cpu，可以同时执行多个线程。对于单核cpu，虽然同一时刻只有一个线程执行，但是cpu可以再空闲时调度其他线程进行执行，当某个线程进行io操作需要等待时，cpu空闲，转而执行其他线程，这样cpu高速在多个线程之间交替执行，给人感觉“同时”执行，但并不是真的同时执行。

在RPC系统中，线程起着至关重要的作用。rpc的通讯进制中，当收到请求时，需要对请求进行回应，通常服务器会使用一个线程去处理这个请求，这样运行服务器处理多个请求，提供并发性。

1.2 线程的优点

1.经济：线程更小，因而创建代价小，占用资源少，切换方便，效率高。

2.可伸缩性：充分利用多核系统的的并行资源。

3.响应性：在执行某个需要持续一段时间的任务时，cpu不需要等待该任务执行结束再去执行其他任务，而是可以直接去执行其他任务。因而可以极大的提升多任务的执行效率。

4.资源共享：同一个进程中的多个线程共享进程的内存和资源。而不同进程只能通过共享内存或消息传递来共享资源。

1.3 线程id与线程id

进程id：processID，简称pid。进程可以理解为一组线程，也称线程组。因此pid用于区分线程的归属，不属于同一个进程的线程，其pid必定不同。

线程id：threadID，简称tid。对于单线程的进程，其pid和tid相同，而同一个进程的线程有不同的线程id用于区分。

1.4 并发与并行

并发：可以在短时间内处理多个任务，但是不能同时。只不过多个任务之间切换的很快，显得“同时”处理。可以处理多个任务，但是不能同时。如先吃饭，收到电话，转而接听电话，接听完毕后再吃饭。如多个用户同时向服务器发送请求，服务器每次只能处理一个请求，但是每个请求完成或进行io操作需要等待时，cpu去处理其他请求，这样短时间内处理很多请求，提高并发性。而如果使用单线程，请求又是io操作，那么除非io操作完成，否则cpu无法执行其他请求。

并行：可以同时处理多个任务。对于多核cpu的多线程适用，每个计算核都可以同时执行一个线程。吃饭时收到电话，同时吃饭和接听电话。

对于单核系统，并发意味着线程交替执行，而对于多核系统，并发即是并行。现代cpu通常对于计算核进行改进，以使得每个计算核可以并行多个线程，如6核12线程，那么每个计算核都可以并行12个线程。而并发则无线程上限，因此不是同时执行。

1.5 并行类型

数据并行：多个线程执行相同任务，将数据分为几组分别在不同线程上进行操作。

任务并行：多个（任务）线程执行不同的操作，分别在不同线程上运行。

1.7 多线程模型

1.7.1 用户线程与内核线程

用户线程：用户层中的线程，管理无需内核支持。

内核线程：内核层中的线程，由操作系统来支持和管理。

用户线程必须通过一定方式映射到内核线程上。

1.7.2 多线程模型分类

一对一模型：一个用户线程映射到一个内核线程上，优点是可以提高系统的并发性，因为当一个线程阻塞时，可以运行其他线程。但是不能创建太多线程。

多对一模型：多个用户线程映射到一个内核线程上，优点是可以创建多个用户线程，缺点是不能提高系统的并发性，因此内核线程一次只能调度一个用户线程。

多对多模型：多路复用用户线程到同样数量或更少数量的内核线程。既可以提高系统的并发性，又可以创建多个用户线程。

1.8 多线程创建策略

异步线程：父线程创建子线程后，父线程恢复自身运行，父线程与子线程相对独立，线程间很少有数据共享，因而父线程不需要知道子线程何时终止。

同步线程：父线程创建子线程后，进入等待状态，直到父线程的所有子线程终止，才恢复运行。

2.多线程设计方法

2.1 多线程策略

多线程带来的问题：在处理并发时，通常采用一个新线程去处理并发的每个任务。这将带来两个问题：1.新线程的创建需要时间，并且当完成任务后，这个创建的线程将终止，不再使用。2.每个任务都采用新线程去处理，却又未限定并发数目，那么线程的数目可能很大，有可能耗尽系统资源&