本文主要是介绍《程序员的自我修养》之线程基础,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
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:
1) 栈
2) 线程局部存储(Thread Local Storage,TLS)
3) 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:
1) 属于线程私有的有:局部变量、函数的参数、TLS数据
2) 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)
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
–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。
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