多线程与多进程的区别

Posted 2020-12-30 rere-whh

（1）多线程多进程的区别

维度	多进程	多线程	总结
数据共享、同步	数据是分开的:共享复杂，需要用IPC;同步简单	多线程共享进程数据：共享简单；同步复杂	各有优势
内存、CPU	占用内存多，切换复杂，CPU利用率低	占用内存少，切换简单，CPU利用率高	线程占优
创建销毁、切换	创建销毁、切换复杂，速度慢	创建销毁、切换简单，速度快	线程占优
编程调试	编程简单，调试简单	编程复杂，调试复杂	进程占优
可靠性	进程间不会相互影响	一个线程挂掉将导致整个进程挂掉	进程占优
分布式	适应于多核、多机分布 ；如果一台机器不够，扩展到多台机器比较简单	适应于多核分布	进程占优

然后我们来看下线程和进程间的比较

 

子进程继承父进程的属性：	子线程继承主线程的属性：
实际用户ID，实际组ID，有效用户ID，有效组ID； 附加组ID； 进程组ID； 会话ID； 控制终端； 设置用户ID标志和设置组ID标志； 当前工作目录； 根目录； 文件模式创建屏蔽字（umask）； 信号屏蔽和安排； 针对任一打开文件描述符的在执行时关闭（close-on-exec）标志； 环境； 连接的共享存储段； 存储映射； 资源限制；	进程中的所有信息对该进程的所有线程都是共享的； 可执行的程序文本； 程序的全局内存； 堆内存； 栈； 文件描述符； 信号的处理是进程中所有线程共享的（注意：如果信号的默认处理是终止该进程那么即是把信号传给某个线程也一样会将进程杀掉）；
父子进程之间的区别：	子线程特有的：
fork的返回值(=0子进程)； 进程ID不同； 两个进程具有不同的父进程ID； 子进程的tms_utime,tms_stime,tms_cutime以及tms_ustime均被设置为0； 不继承父进程设置的文件锁； 子进程的未处理闹钟被清除； 子进程的未处理信号集设置为空集；	线程ID； 一组寄存器值； 栈； 调度优先级和策略； 信号屏蔽字； errno变量； 线程私有数据；

 

 

 

1)需要频繁创建销毁的优先用线程。

实例：web服务器。来一个建立一个线程，断了就销毁线程。要是用进程，创建和销毁的代价是很难承受的。

2）需要进行大量计算的优先使用线程。

所谓大量计算，当然就是要消耗很多cpu，切换频繁了，这种情况先线程是最合适的。

实例：图像处理、算法处理

3）强相关的处理用线程，弱相关的处理用进程。

什么叫强相关、弱相关？理论上很难定义，给个简单的例子就明白了。

一般的server需要完成如下任务：消息收发和消息处理。消息收发和消息处理就是弱相关的任务，而消息处理里面可能又分为消息解码、业务处理，这两个任务相对来说相关性就要强多了。因此消息收发和消息处理可以分进程设计，消息解码和业务处理可以分线程设计。

4）可能扩展到多机分布的用进程，多核分布的用线程。

5）都满足需求的情况下，用你最熟悉、最拿手的方式。

至于”数据共享、同步“、“编程、调试”、“可靠性”这几个维度的所谓的“复杂、简单”应该怎么取舍，只能说：没有明确的选择方法。一般有一个选择原则：如果多进程和多线程都能够满足要求，那么选择你最熟悉、最拿手的那个。

（2）多线程知识点

线程同步方式：互斥锁、条件变量、信号量，读写锁

1>互斥锁：一个时间内只准一个线程进入关键代码

相关接口：

pthread_mutex_init();

pthread_mutex_lock()

pthread_mutex_trylock()

pthread_mutex_unlock();

pthread_mutex_destory()(此时锁必须为unlock状态)

2>条件变量：利用线程之间共享一个全局变量是实现同步；基本操作有：触发条件（当条件为true时），等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件

相关接口：

pthread_cond_init()

pthread_cond_wait()

pthread_cond_timewait() //计时等待

无论哪种等待都要配合一个锁使用，防止多线程同时请求竞争条件

pthread_cond_singal() //激活一个线程

pthread_cond_broadcast()//激活所有线程

pthread_cond_destory() //没有线程在等待时销毁，否则返回EBUSY

 

一般用法：

pthread_mutex_lock();

pthread_cond_wait();

pthread_mutex_unlock

 

猜测pthread_cond_wait源码：

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex)

{

if(没有条件变量)

{

(1)pthread_mutex_unlock(mutex);

(2)阻塞当前线程，等待信号(当前应该是类似于中断触发的等待方式，而不是软件轮询)

(3)pthread_mutex_lock()

}

......

}

3> 信号量：跟进程的信号量一样

相关接口：

头文件<semaphore.h>

sem_init(sem_t *sem,int pshared,int value) ; // pshared=0（linux下只能为0），为进程局部信号量

sem_post(sem_t *sem) //信号量加1 v操作

sem_wait(sem_t *sem) //信号量减1 P操作

sem_destroy(sem_t *sem)

4>读写锁：多个读锁可以共享一个临界区，写锁与写锁互斥，写锁与读锁互斥

相关接口：

pthread_rwlock_init()

pthread_rwlock_rdlock()

pthread_rwlock_wrlock()

pthread_rwlock_unlock()

pthread_rwlock_tryrdlock()

pthread_rwlock_trywrlock()

pthread_rwlock_timerdlock()

pthread_rwlock_timewrlock()

pthread_rwlock_destroy()

 

扩展：自旋锁

（1）请求锁，未请求到，就一直忙等待，直到请求到这个锁，不进行上下文切换

（2）有可能造成死锁：递归调用，临界区引起阻塞

（3）使用场景：锁持有时间较短的

（4）自旋锁与linux内核进程调度的关系

自旋锁保护的临界区工作在非抢占式的状态，即使获取不到锁，“自旋”状态也是禁止抢占的，在spin_unlock时重新开启抢占

总结：

1>单CPU非抢占式：自旋锁编译时被忽略（因为不会发生进程切换，只有一个进程或线程处于临界区，自旋锁没有用）

2>单CPU抢占式式：自旋锁仅仅当做一个设置抢占的开关（因为单CPU下不会涉及到并发访问，设置禁止抢占就可以保证临界区被唯一拥有）

3>多CPU：防止多进程并发访问，防止内核抢占造成竞争

 

线程安全：原子操作、锁、可重入、防止过度优化

原子操作：保证指令原子的指向不被打断，Linux系统提供了一些常用操作的原子指令，<atuomic.h>，包括原子整数操作和原子位操作，必须为atuomic_t类型的整数（32位的整数，24位数据，8bits的锁）

锁：对临界区代码进行互斥访问

可重入：也就是可以被打断，再次进入时没有什么影响，这意味着它除了使用自己栈上的变量以外不依赖于任何环境（包括static）

防止过度优化：我们可以使用volatile关键字试图阻止过度优化，它可以做两件事：第一，阻止编译器为了提高速度将一个变量缓存到寄存器而不写回；第二，阻止编译器调整操作volatile变量的指令顺序。

 

无锁化编程：

针对计数器，可以使用原子加

只有一个生产者和一个消费者，那么就可以做到免锁访问环形缓冲区（Ring Buffer）

RCU(Read-Copy-Update):新旧副本切换机制，对于旧副本可以采取延迟释放的做法。原理：对于被RCU保护的共享数据结构，读者不需要获取任何锁就可以访问他，但是写着在访问它时首先拷贝一个副本，然后对副本进行修改，最后使用一个回调（callback）机制在适当的时机把指向原来数据的指针重新指向新的被修改的数据。这个时机就是所有引用该数据的CPU都退出共享数据结构的操作。写者在访问共享数据结构时不需要跟读者竞争任何锁，只有在多个写者的情况下才要求同步。RCU技术的核心就是写操作分为写和更新两步

CAS（Compare-and-Swap）:

  CAS 原语负责将某处内存地址的值（1 个字节）与一个期望值进行比较，如果相等，则将该内存地址处的值替换为新值，CAS 操作伪码描述如下：

Bool CAS(T* addr, T expected, T newValue) { if( *addr == expected ) { *addr = newValue; return true; } else return false; }

 

（3）多进程知识点

多进程通信：管道，命名管道，消息队列，共享内存、套接字