多线程编程之基础概念

Posted 2020-10-17 拙园

一、什么是线程

　　线程（thread）是进程中某个单一顺序的控制流。也被称为轻量进程（lightweight processes）。计算机科学术语，指运行中的程序的调度单位。

　　一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。

　　在多线程操作系统中，通常是在一个进程中包括多个线程，每个线程都是作为利用CPU的基本单位，是花费最小开销的实体。线程具有以下属性：
（1）轻型实体
　　线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源，比如，在每个线程中都应具有一个用于控制线程运行的线程控制块TCB，用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。
（2）独立调度和分派的基本单位
　　在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。
（3）可并发执行
　　在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。
（4）共享进程资源
　　在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。

　　线程与进程相比，有以下几点区别：

（1）地址空间和其它资源：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程中不可见。

（2）通信：进程间通信需要借助于IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信（需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性）。

（3）调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

（4）进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

二、多线程编程

　　　由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。所以，在一个进程中可以创建几个线程来提高程序的执行效率，并且有些程序还通过采用多线程技术来同时执行多个不同的代码模块。但是，多个线程同时运行的时候可能调用线程函数，在多个线程同时对同一个内存地址进行写入，由于CPU时间调度上的问题，写入数据会被多次的覆盖，所以就要使线程同步。

　　线程同步，就是当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态。

　　目前实现线程同步的方法有很多，例如：临界区（critical section）、事件（event）、信号量（semaphore）、互斥量（mutex）。
1、临界区：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占；
2、互斥量：采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享；
3、信号量：它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目；
4、事 件： 通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作。

三、为什么需要多线程编程

　　需要多线程编程的原因有很多，我们可以举例解决：
（1）有的是为了提高运行的速度，比如多核cpu下的多线程，可以充分利用多个核心同时处理任务；
（2）有的是为了提高资源的利用率，比如在网络环境下下载资源时，时延常常很高，我们可以通过不同的thread从不同的地方获取资源，这样可以提高效率；
（3）有的为了提供更好的服务，比如说是服务器上使用多线程可以分别处理不同的请求任务；
（4）其他需要多线程编程的地方等等……