期末复习——线程

Posted 2023-02-16 sectumsempra

MEMO

1. 多线程下的fork()：有的复制所有线程；有的仅仅复制了调用fork()的线程。
2. 多线程下的exec()：指定的程序会取代整个进程，包括所有线程。

多核编程

• 并发性：单核系统只有并发，------->

• 并行性：多核同时执行

• 程序员面对的挑战：

  • 识别任务：查找独立、并发的任务
  • 平衡：有些任务不值得用一个单核来运行
  • 数据分割
  • 测试与调试

• 并行类型

  • 数据并行：将数据分布于多核。
    e.g.核0(0-n)、核1(n+1 - 2n)这种
  • 任务并行：将线程(task任务)分布在多核上。
    e.g.线程1：算数组A一行的和、线程2：算数组A一列的和

Amdahl 定律

N核处理器，S比例为串行部分，(1-S)部分为并行部分
加速比 <= 1/(S + (1-S)/N)

线程

CPU运行调度的基本单位。

• 多线程进程内的线程私有：线程ID

  • 寄存器
  • 堆栈

• 多线程进程内的线程共享

  • 代码段、数据段(全局变量)、打开文件列表
    

• 多线程编程优点：响应性、资源共享、经济(创建、切换线程消耗更小)、可伸缩性

• 用户线程管理：线程库(程序员)、隐式多线程（转移管理权给编译器/运行时库）

• 内核线程管理：内核

1.多线程模型

• 多线程创建策略
  • 异步线程：非阻塞，父子线程并发执行，父进程创建完就恢复执行。so很少有数据共享。
  • 同步线程：阻塞，等待所有子进程终止父进程才恢复执行。

1.1多对一模型

多用户线程(一般是一个进程内的) 映射到 一个内核线程。线程调度管理都在用户空间。
每次只允许一个线程映射。

• 优：线程管理都在用户空间，效率高
• 缺：一个线程访问内核时阻塞了，整个进程都阻塞了。
  一个时间段只有一个线程可以访问内核，不能并行运行在多核系统。

1.2一对一模型

一个用户线程 映射到 一个内核线程。

• 优：并发能力强，一个线程阻塞不影响其他线程。
• 缺：开销很大。所以一般会限制内核线程数量。

1.3多对多模型

也可称为双层模型。克服了前两个的缺点。
在用户线程和内核线程中间加一个数据结构--轻量级进程LWP，1个LWP与一个内核线程关联。
LWP看作一个虚拟处理器，以便程序调度运行用户线程。

• 对单核处理器
  • CPU密集型程序：1个LWP即可
  • I/O密集型程序：可能要多个LWP。

2.线程库

为程序员提供创建、管理线程的API。

• 实现线程库的方法
  • 构建一个用户空间的函数库：非系统调用。在用户空间提供没有内核支持的库，所有代码、数据结构都在用户空间。
  • 实现由OS直接支持的内核级库：代码、数据结构都位于内核空间。so每次调用API都会导致内核的系统调用。
• 3个主要线程库
  1. POSIX Pthreads
  2. Windows 头文件 #include <windows.h>
  3. Java
     Windows和Pthreads数据共享可以直接使用全局变量，但Java没有全局变量，通过线程传递共享对象实现。

3.隐式多线程

“转移管理权”
将多线程的创建管理交给编译器and运行时库。流行趋势。

3.1线程池

• 主要思想：
  • 开始时创建一定量线程，加载到线程池中等待工作。
  • 有工作时唤醒线程分配任务。没有可用线程就等。
  • 完成任务后，返回池中等待工作。
• 优点
  • 快！：用现有的比创建新线程快
  • 限制线程总数：因为有些系统不支持大量并发线程。
  • 可以用不同策略执行任务：定期执行/延迟执行等等，不用考虑创建线程的问题了。更加灵活?

3.2 OpenMP 运行时库

一组编译指令API，识别并行区域 = 识别可并行运行的代码块。

• 指令
  1. #pragma omp parallel ：有N个核创建N个线程，然后这些线程同时执行并行区域代码。
  2. #pragma omp parallel for for(;;)：将循环工作分给多个线程。

3.3 GCD 大中央调度

Mac OS 和 iOS采用的技术。GCD为C/C++增加了块的拓展。
内部GCD线程池由POSIX线程组成。
块：^/*内容*/

• 将这些块放在调度队列上。
  • 串行serial调度队列：FIFO，一次删一个，每个进程都有自己的串行队列，也叫主队列。
  • 并行concurrent调度队列(我擅自改名的，书上给了并发...但是并行统一一点md垃圾翻译)：FIFO，但可以一次删除多个块。
    有三个系统级并发调度队列，低、默认、高优先级-->表示块重要性。

4.多线程问题

4.1 fork() exec()

• fork()可能复制所有线程/只复制调用fork()的那个
• exec()指定的程序会覆盖整个进程，包括所有线程。

4.2 信号处理

同步/异步，收到信号立即处理，只能处理一次。

• 同步信号：非法内存访问、/0问题
  发送信号到同一进程
• 异步信号：Ctrl+C终止进程信号(传给所有线程)、时间片到期
  发送信号给另一进程
• 信号处理程序
  • 默认信号处理程序：由内核运行
  • 用户定义的：

4.3 线程撤销

线程完成之前终止目标线程。两种情况
回忆一下，同步--阻塞；异步--非阻塞

• 异步撤销：另一线程直接终止目标线程
  可能不会释放必要的系统资源。
• 延迟撤销：允许目标线程终止自己。目标线程不断检查是否应终止。

Pthreads线程撤销的3中模式：1.关闭（禁用线程撤销） 2.异步撤销 3.延迟撤销（默认）

4.4 TLS线程本地存储

指的是线程的自己的数据，虽然同进程内多线程共享数据段。
！TLS!=局部变量，在多个函数调用内都可见，线程特有。

4.5调度程序激活

内核线程与用户线程库之间的一种通信方案——调度器激活。

• 内核提供一组LWP给应用程序，应用程序调度用户线程到LWP
• 回调：内核将特定事件通知应用程序，由回调处理程序处理。
  例如一个用户线程要阻塞时，会有回调。
• 发完回调，内核分一个新的LWP给应用程序，这个新的LWP运行回调处理程序，保存线程阻塞状态，释放LWP
• 回调处理程序调度另一个合适的线程在新LWP上运行。
• 之后阻塞结束了，再回调

5. 线程调度

• 用户线程：不可调度。由线程库管理，对OS不可见，OS可见的是用户进程
• 内核线程：可调度
  内核采用SCS系统竞争范围调度 决定选择哪一个内核线程运行。