操作系统—— 进程管理：多线程编程

Posted 2021-09-15 大彤小忆

• 2. 多线程编程
• • 2.1 概述
  • • 2.1.1 动机
    • 2.1.2 优点
  • 2.2 多核编程
  • 2.3 多线程模型
  • • 2.3.1 多对一模型
    • 2.3.2 一对一模型
    • 2.3.3 多对多模型
  • 2.4 线程库
  • 2.5 线程池

2. 多线程编程

  进程模型假设每个进程是具有单个控制线程的一个执行程序。几乎所有的现代操作系统都允许一个进程包含多个线程。

2.1 概述

• 每个线程是CPU使用的一个基本单元。
• 它包括线程ID、程序计数器、寄存器组和堆栈。它与同一进程的其它线程共享代码段、数据段和其它操作系统资源。
• 一个进程一般具有多个线程，那么进程能同时执行多个任务。
• 主线程

int main()
{
	printf("hello world!");
}

  单线程进程和多线程进程如下图所示。

2.1.1 动机

  一个进程为什么要创建多个线程？
  1. 操作系统创建多个进程比一个进程中创建多个线程的开销大。
  2. 进程间通信和线程间通信更复杂。

2.1.2 优点

  响应性： 如果一个交互程序采用多线程，那么即使部分阻塞或执行冗余操作，它仍然可以继续执行，从而增加对用户的响应程度。
  资源共享： 进程只能通过如共享内存和消息传递之类的技术实现共享资源。而线程默认共享它们所属进程的内存和资源
  经济： 进程创建所需的内存和资源分配非常昂贵。
  可伸缩性： 对于多处理器体系结构，多线程的优点更大，因为线程可在多处理器核上并行运行。

2.2 多核编程

• 早期计算机是单核---->现代计算机是多核。
• 多核编程提供机制，以便更有效的使用这些多个计算核和改进并发性。

  下图所示的分别是单核系统和多核系统上的并行执行。

• 重点：并行与并发
  并行性： 并行系统可以同时执行多个任务，指多核系统，多个进程同时执行的情况。
  并发性： 并发系统也可以同时执行多个任务，指通过CPU上下文切换，执行多个任务的情况。
• CPU调度器通过快速切换系统内的进程，以便允许每个进程取得进展，从而提供并行假想。

2.3 多线程模型

• 有两种方法来提供线程支持：用户层的用户线程或内核层的内核线程。
    - 用户线程（user thread）：位于内核之上，它的管理无需内核支持。
    - 内核线程（kernel thread）：由操作系统来直接支持与管理。

2.3.1 多对一模型

• 多对一模型： 映射多个用户级线程到一个内核线程。线程管理是由用户空间的线程库来完成，因此效率更高。
• 如果一个线程执行阻塞系统调用，那么整个进程将会阻塞。
• 因为任一时间只有一个线程可以访问内核，所以多个线程不能并行运行在多处理核系统上。
• 现代操作系统基本不使用该模型，因为它无法利用多个处理核。

2.3.2 一对一模型

• 一对一模型： 映射每个用户线程到一个内核线程。
• 该模型在一个线程执行阻塞系统调用时，能够允许另一个线程继续执行，所以它提供了比多对一模型更好的并发功能。
• 它也允许多个线程并行运行在多处理器系统上。
• 该模型的唯一缺点是：创建一个用户线程就要创建一个相应的内核线程，由于创建内核线程的开销会影响应用程序的性能。

2.3.3 多对多模型

• 多对多模型： 多路复用多个用户线程到同样数量或更少数量的的内核线程。
• 可以创建任意多的用户线程，并且相应内核线程在多处理器系统上并发执行，当一个线程执行阻塞系统调用时，内核可以调用另一个线程来执行。
• 双层模型： 是多对多模型的变种，仍然多路复用多个用户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。即同时支持多对多模型和一对一模型。
   
  

2.4 线程库

  线程库（thread library）为程序员提供创建和管理线程的API。

2.5 线程池

  主要思想： 在进程开始时创建一定数量的线程，并加到池中等待工作。

  线程池的优点：
    - 用现有线程服务请求比等待创建一个线程更快
    - 线程池限制了创建的线程数量
    - 将执行任务从创建任务的机制中分离出来