《读书笔记》程序员的自我修养之线程基础

Posted 2020-06-21

1、线程是程序执行流的最小单位。

2、线程的组成：线程ID、当前指令指针（PC）、寄存器集合、堆栈。

3、进程与线程的关系：

一个进程包含一个或多个线程，每个线程之间共享程序的内存空间及一些进程级的资源（如打开文件和信号）。这里的内存空间包括代码段、数据段、堆栈等。

4、多线程优点：

—某个操作可能会陷入长时间的等待，多线程执行可以有效利用等待的时间。（例子：等待网络响应）

—某个操作（如：计算）会消耗大量的时间，如果只有一个线程，程序和用户之间的交互会中断。多线程可以让一个线程负责交互，另一个线程负责计算。—程序逻辑本身要求并发操作（如：一个多段下载软件，比如Bittorrent)

—多CPU或多核计算机，本身就具备多个线程同时执行的能力。

—相对于进程，多线程在数据共享方面效率更高。

5、线程的访问权限

线程可以访问进程内存里的所有数据，甚至包括其他线程的堆栈（如果某个线程知道另一个线程的堆栈地址即可）

线程也有自己的私有空间，如下：

• 栈
• 线程局部存储（Thread Local Storage，TLS）
• 寄存器（包括PC寄存器），其是执行流的基本数据，为线程私有

 小结：

• 属于线程私有的有：局部变量、函数的参数、TLS数据
• 线程之间可共享（进程所有）的有：全局变量、堆上的数据、函数里的静态变量、程序代码、打开的文件（A线程打开的文件可以由B线程读写）

6、进程与线程的一个简单解释（非常贴切）

转载：http://www.cricode.com/2410.html

1. 计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。
2. 假定工厂的电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。
3. 进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。
4. 一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。
5. 线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。
6. 车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。
7. 可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。
8. 一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫“互斥锁”（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。
9. 还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。
10. 这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做“信号量”（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

7、操作系统的设计，因此可以归结为三点：

（1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；

（2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；

（3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

8、线程状态及状态转移

（1）就绪：此时线程可以立刻运行，但CPU已经被占用

（2）运行：此时线程正在执行

（3）等待（阻塞）：此时线程正在等待某一事件（通常是I/O或同步）的发生，无法执行

 

 

1）就绪——运行：对就绪状态的进程，当进程调度程序按一种选定的策略从中选中一个就绪进程，为之分配了处理机后，该进程便由就绪状态变为执行状态；

2）运行——等待：正在执行的进程因发生某等待事件而无法执行，则进程由执行状态变为等待状态，如：进程提出输入/输出请求而变成等待外部设备传输信息的状态，进程申请资源（主存空间或外部设备）得不到满足时变成等待资源状态，进程运行中出现了故障（程序出错或主存储器读写错等）变成等待干预状态等等；

3）等待——就绪：处于等待状态的进程，在其等待的事件已经发生，如输入/输出完成，资源得到满足或错误处理完毕时，处于等待状态的进程并不马上转入执行状态，而是先转入就绪状态，然后再由系统进程调度程序在适当的时候将该进程转为执行状态；

4）运行——就绪：正在执行的进程，因时间片用完而被暂停执行，或在采用抢先式优先级调度算法的系统中,当有更高优先级的进程要运行而被迫让出处理机时，该进程便由执行状态转变为就绪状态。

9、线程调度方法

—优先级调度

—轮转法

10、Windows和Linux关于多线程的区别

区别：

--Windows内核有明确的线程和进程的概念。

在Windows API中，可以使用CreateProcess和CreateThread来创建进程和线程，并有一系列的API来操纵它们。

--Linux内核中并不存在真正意义上的线程概念。

Linux将所有的执行实体（不管是线程还是进程）都称之为任务（Task），每一个任务概念上都类似于一个单线程的进程，具有内存空间、执行实体、文件资源等。

Linux的不同任务之间，可以有选择的共享内存空间，因而从实际意义上来看，共享了同一个内存空间的多个任务构成一个进程，这些任务也就构成了这个进程里的线程。

11、Linux创建一个新任务的方法：

--fork：复制当前进程

--exec：使用新的可执行映像覆盖当前可执行映像

--clone：创建子进程并从指定位置开始执行

 

fork代码如下：

pid_t pid;

if(pid = fork())

{

       ...

}

 

fork函数产生一个和当前进程完全一样的新进程，并和当前进程一样从fork函数里返回，只是本任务的fork将返回新任务的pid，而新任务的fork将返回0。

注意：fork并不复制原任务的内存空间，而是和原任务一起共享一个写时复制（Copy on Write，COW）的内存空间

注解：什么是写时复制（COW）？

写时复制指的是两个任务可以同时自由的读取内存，但任意一个任务试图对内存进行修改时，内存就会复制一份提供给修改方单独使用，避免影响其他任务的使用。

• fork只能产生本任务的镜像，要启动别的新任务，需要exec的配合。
• exec可以用新的可执行映像替换当前的可执行映像。
• 当fork产生一个新任务后，新任务可调用exec来执行新的可执行文件。
• fork和exec用于产生新任务，而要产生新线程，则使用clone。

clone函数原型如下：

int clone(int (*fn) (void*), void* child_stack, int flags, void* arg)

使用clone可以产生一个新的任务，从指定位置开始执行，并且（可选的）共享当前进程的内存空间和文件。