深入理解计算机系统 第十二章 并发编程

Posted 2021-03-22 zhishuiyushi

现代操作系统提供了三种基本的构造并发程序的方法：

进程。用这种方法，每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护，因为进程有独立的虚拟地址空间，想要和其他流通信，控制流必须使用某种显式的进程间通信（interprocess communication，IPC）机制。

I/O多路复用。在这种形式的并发编程中，应用程序在一个进程的上下文中显式的调度它们自己的逻辑流。逻辑流被模型化为状态机，数据到达文件描述符后，主程序显式的从一个状态转换到另一个状态。因为程序是一个单独的进程，所以所有的流都共享同一个地址空间。

线程。线程是运行在一个单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度。你可以把线程看成是其他两种方式的混合体，像进程流一样由内核进行调度，而像I/O多路复用流一样共享同一个虚拟地址空间。

基于I/O多路复用的并发编程

I/O多路复用（I/O multiplexing）技术，基本的思路就是使用select函数，要求内核挂起进程，只有在一个或多个I/O事件发生后，才将控制返回给应用程序。

select是一个复杂的函数，有许多不同的使用场景。我们只讨论第一种场景：等待一组描述符准备好读。

select函数处理类型为fd_set的集合，也叫做描述符集合。逻辑上，我们将描述符集合看成一个大小为n的位向量：bn-1,...,b1,b0。

每个位bk对应于描述符k。当且仅当bk=1，描述符k才表明是描述符集合的一个元素。只允许你对描述符集合做三件事：1）分配它们，2）将一个此种类型的变量赋值给另一个变量，3）用FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR和FD_ISSET宏来修改和检查它们。

针对我们的目的，select函数有两个输入：一个称为读集合的描述符集合（fdset）和该读集合的基数（n）（实际上是任何描述符集合的最大基数）。select函数会一直阻塞，直到读集合中至少有一个描述符准备好可以读。当且仅当一个从该描述符读取一个字节的请求不会阻塞时，描述符k就表示准备好可以读了。select有一个副作用，它修改参数fdset指向的fd_set,指明读集合的一个子集，称为准备好集合（ready set），这个集合是由读集合中准备好可以读了的描述符组成的。该函数返回的值指明了准备好集合的基数。注意，由于这个副作用，我们必须在每次调用select时都更新读集合。

基于线程的并发编程

到目前为止，我们已经看到了两种创建并发逻辑流的方法。在第一种方法中，我们为每个流使用了单独的进程。内核会自动调度每个进程，而每个进程有它自己的私有地址空间，这使得流共享数据很困难。在第二种方法中，我们创建自己的逻辑流，并利用I/O多路复用来显式的调度流。因为只有一个进程，所有的流共享整个地址空间。第三种方法---基于线程，它是这两种方法的混合。

线程（thread）就是运行在进程上下文中的逻辑流。在本书里迄今为止，程序都是由每个进程中一个线程组成的。但是现代系统也允许我们编写一个进程里同时运行多个线程的程序。线程由内核自动调度。每个线程都有它自己的线程上下文（thread context），包括一个唯一的整数线程ID（Thread ID，TID）、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。所有的运行在一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间。

基于线程的逻辑流结合了基于进程和基于I/O多路复用的流的特性。同进程一样，线程由内核自动调度，并且内核通过一个整数ID来识别线程。同基于I/O多路复用的流一样，多个线程运行在单一进程的上下文中，因此共享这个进程虚拟地址空间的所有内容，包括它的代码、数据、堆、共享库和打开的文件。