第 4 章 线程

概述

每个线程是 CPU 使用的一个基本单元，与同一线程的其它线程共享代码段、数据段和其他操作系统资源。

• 多线程编程具有如下四大类的优点：
  • 响应性：一个采用多线程的交互程序即使部分阻塞或者执行冗长操作，仍可以继续执行，从而增加对用户的相应程度
  • 资源共享：线程默认共享它们所属进程的内存和资源
  • 经济：进程创建所需的内存和资源更昂贵，创建和切换线程更加经济
  • 可伸缩性：线程可在多处理器核上并行运行

多核编程

并发性（concurrency）：并发系统允许支持多个任务，允许所有任务都能取得进展（单核通过切换任务也能完成）

并行性（parallelism）：并行系统可以同时执行多个任务

并发不一定并行，并行一定并发

多线程模型

用户线程：通过用户层面的线程库实现线程管理，位于内核之上，无需内核支持，缺点是内核享受不到多线程带来的好处

内核线程：由操作系统来直接支持和管理

多对一模型

映射多个用户级线程到一个内核线程

一对一模型

映射每个用户线程到一个内核线程、

优点是在一个线程执行阻塞系统调用时，能够允许另一个线程继续执行，所以提供了比多对一模型更好的并发功能；也允许多个线程并行运行在多处理器系统上。

缺点是创建一个用户线程就要创建一个相应的内核线程，而创建内核线程的开销会影响应用程序的性能，所以这种模型的大多数实现限制系统支持的线程数量。

多对多模型

多路复用多个用户级线程到同样数量或更少数量的内核线程

线程库

线程库为程序员提供创建和管理线程的 API

• 实现线程库的主要方法有两种：
  • 在用户空间中提供一个没有内核支持的库，库的所有代码和数据结构都位于用户空间
  • 实现由操作系统直接支持的内核级的一个库，调用一个 API 函数通常导致对内核的系统调用

POSIX Pthreads、Windows 线程、Java 线程

多线程问题

系统调用fork()和exec()

• 线程调用fork()，有两种形式：
  • 新进程复制所有线程
  • 新进程只有单个线程，仅仅复制调用了fork()的线程

如果一个线程调用exec()系统调用，exec()参数指定的程序将会取代整个进程，包括所有线程。

如果分叉后立即调用exec()，则没有必要复制所有线程，只需复制调用线程。

信号处理

UNIX 信号用于通知进程某个特定事件已经发生

信号的接收可以是同步或异步的，取决于事件信号的来源和原因。

• 所有信号遵循相同的模式：
  • 信号是由特定事件的发生而产生的
  • 信号被传递给某个进程
  • 信号一旦收到就应处理
• 信号处理程序可以分为两种：
  • 缺省的信号处理程序
  • 用户定义的信号处理程序
• 信号传递通常具有如下选择：
  • 传递信号到信号所适用的线程
  • 传递信号到进程内的每个线程
  • 传递信号到进程内的某些线程
  • 规定一个特定线程以接收进程的所有信号

线程撤销

线程撤销（Thread Cancellation）是在线程完成之前终止进程

• 目标线程的撤销可以有两种情况：
  • 异步撤销：一个线程立即终止目标线程
  • 延迟撤销：目标线程不断检查它是否应终止，这允许目标线程有机会有序终止自己

线程池

在进程开始时创建一定数量的线程，并加到池中以等待工作

• 使用线程池的优点：
  • 用现有线程服务请求比等待创建一个线程更快
  • 线程池限制了任何时候可用线程的数量

线程本地存储

除了共享进程的数据，每个线程可以拥有自己的数据，称为线程本地存储（Thread-Local Storage, TLS）