Chapter 4: Threads & Concurrency¶
4.1 Overview¶
资源拥有单元称为进程，调度的单位称为线程
线程只拥有其在运行中必不可少的资源（程序计数器、一组寄存器和栈），但它可与同一进程中的其它线程共享进程拥有的全部资源
- 共享的资源
- 进程的地址空间
- 代码段
- 数据段
- 堆
- 私有的资源
- 线程栈
- 线程局部存储(Thread-Local Storage, TLS)
- 寄存器
线程定义为进程内一个执行单元或一个可调度实体
- 拥有少量的系统资源（系统分配给进程）
- 一个进程中可以有多个线程可并发执行
- 系统开销小，切换快（都在同一个进程的地址空间活动）
4.2 Multicore Programming¶
由多核并发执行所有线程
4.3 Multithreading Models¶
线程实现机制：用户级线程和内核级线程
User Threads¶
不依赖于OS内核（内核不了解用户线程的存在），应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程
Kernel Threads¶
依赖于OS核心，由内核的内部需求进行创建和撤销，用来执行一个指定的函数
一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程
时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间
Multithreading Models¶
多线程模型包含以下：
- 多个用户级线程对应一个内核线程
- 一个用户级线程对应一个内核线程
- 多个用户级线程对应多个内核线程
Many-to-One¶
用于不支持内核线程的操作系统，内核只有进程，线程不能并行运行在多个处理器，由每个进程自己管理
One-to-One¶
用于支持线程的造作系统，并发性好，多个线程可以运行在多个处理器中
Many-to-Many¶
并发性与效率兼顾，复杂性更高
About Threads¶
线程的优点：
- 一个进程中可以同时存在多个线程
- 各个线程可以并发进程
- 各个线程之间可以共享地址空间和资源，通信方便
线程🆚进程
- 进程是操作系统进行资源分配的最小单元，而线程是操作系统调度的最小单元
- 进程拥有一个完整的资源平台，而线程只有一些必不可少的资源，如寄存器和栈
- 线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态
- 线程能减少并发执行的时间开销和空间开销
- 线程的创建和终止比进程快很多，因为资源更少
- 同一个进程内的线程切换比多个进程间的切换快很多
- 同一个进程内的所有线程都共享资源，因此线程之间的数据传递都并不需要经过内核
- 每个进程至少有一个线程（主线程），每个线程可以创建新的子线程
4.4 Thread Libraries¶
主流的线程库：
- Windows：内核级别
- POSIX Pthreads：内核级别和用户级别
- Java
4.5 Implicit Threading¶
多核系统多线程编程中，一个应用可能有几百上千的线程，这样的程序面临许多挑战：
- 编程挑战：任务分解、数据分割、数据依赖、测试与调试
- 程序执行顺序的正确性问题：同步，互斥
基于此，使用隐式线程(Implicit Threading)，将线程的创建与管理交给编译器和运行时库完成
- 线程池
- Fork Join
- OpenMP
- ...
4.6 Threading Issues¶
Semantics¶
在某个线程中调用fork()时，新创建的进程会复制父进程的所有线程还是只复制当前调用的线程？
在某个线程中调用exec()时，是所有的线程被替换还是仅当前线程被替换？
取决于具体的系统调用的语义
Cancellation¶
线程取消分为
- 异步取消，马上取消线程
- 同步取消，等待一起取消
Signal Handling¶
进程中的信号应该发给哪个线程呢？
- 发送信号到信号产生的线程
- 发送信号到进程中的所有线程
- 发送信号到特定的线程中
- 创建一个专门处理信号的线程
Thread Pools¶
线程池就是事先创建一批线程到线程池中等待工作时唤醒
Thread Specific Data¶
线程特定数据是每个线程有数据的自己拷贝，如线程id