深入理解操作系统之线程

目录

补充进程知识：

是什么触发了进程的切换？

进程切换时要做什么？

切换进程的时机分为主动和被动。

进程上下文指的是什么？

线程篇：

以进程创建子进程为例引入线程：

线程定义：

Motivation:

进程区别：

多线程优点：

定义：

多线程模型：

多核编程：

ULT（用户级线程）：

KLT（内核线程）：

组合方式：

多对一模型：

一对一模型（主流）：

多对多模型：

多线程实验：

实验一代码：

 Monte Carlo技术计算Π值：

非多线程的计算方法：

---

补充进程知识：

在上篇文章中的一张图提到：

是什么触发了进程的切换？

是中断触发了进程的切换

进程切换时要做什么？

进程的切换类似于中断，也需要进行模式切换，如：

p1进程正在执行，在某点要被切换，就会被中断，进而模式切换到操作系统的内核态，调用中断处理程序（switch--专门处理进程切换的中断处理程序）

切换进程的时机分为主动和被动。

主动：启动IO设备

被动：高优先级进程的调度、cpu时间片到期

进程上下文指的是什么？

其实就是就进程在内存中所包含的内容：

线程篇：

以进程创建子进程为例引入线程：

通过fork函数创建了子进程，由上一篇文章可知会把父进程的数据以及代码全部进行克隆。

创建子进程的好处是什么？

得到了两个不同的（通过利用fork在父子进程中的返回值不同使用if分支语句进行区分）、并发的执行流。

创建子进程的坏处是什么？

资源浪费（内存空间）

 有了缺点那本章的问题就来了，就是如何解决坏处，而且保留好处，即两条执行流且不浪费资源，我们可以叫它Thread---线程  

对线程直观的定义可以认为线程是进程中的执行流

线程定义：

Motivation:

一个应用通常要处理很多任务，比如一个Web浏览器，可能需要同时处理文 字和图片，这些同时执行的任务可称为 “执行流” ，我们不希望它们是顺序执行的。在web中我们不能说让上述任务处理完文字再处理图片吧，这是不符合用户的使用的。因此需要多任务并发执行，早期每个执行流就是创建子进程，但是进程的切换是要消耗巨大的时空资源的，所以把一个应用装进进程中，进程内部的执行流就是线程。

进程区别：

多线程优点：

响应性：当一个服务器负责监听进程（Listen process）一个用户发出请求，则在进程中创建一条执行流（线程）来响应请求，当另一个用户发出请求，服务器在进程中新创建一个线程作为响应，两个用户所访问的是同一个数据，如果是在单线程进程中，就需要创建新的进程，这开销是巨大的，引入多线程进程后，只需要消耗小部分资源，从上个线程中复制处理。

资源共享：进程间的资源共享是靠进程间的通信来完成的，但是线程间的资源共享，同属于一个进程的线程是可以直接访问的。

经济：相比进程的创建，线程的消耗是很小的。

可伸缩性：在多处理机系统中，有多个cpu，一个多线程进程可以将多个线程进行分配到多个处理机上，让他们并行执行。可以根据系统的环境来调整所占处理机的数量。

定义：

---- 一个传统的进程有一个单线程控制流，如果一个进程有多线程控制流，同一时间它能运行不止一个任务。

多线程模型：

多核编程：

        多核编程与前边的多线程的优点中的可伸缩性相似，在多处理器系统中，多核编程机制让应用程序可以更有效地将自身的多个执行任务（并发的线程）分散到不同的处理器上运行，以实现并行计算。

ULT（用户级线程）：

ULT在user mode下运行，它的管理无需内核支持。用户级线程一个系统中可以有很多个，但是设置用户级线程的的系统的调度单位是进程

优点：

1）对于同一个进程的线程，线程的切换是不需要切换到内核空间

2）用户级线程的实现与OS平台无关，对于线程管理的的代码是属于用户程序的一部分，应用程序是共享的。

缺点：

1）系统调用引起的阻塞问题，大多系统调用都会使系统阻塞，当用户线程系统调用的时候也会使整个进程阻塞。而内核支持线程，是只有该线程阻塞。

2）用户级线程是不具有伸缩性的，每个进程还是只会分到一个cpu，则只有一个线程拥有使用权。（设置用户级线程的OS的调度单位是进程）

KLT（内核线程）：

KLT在kernel mode下运行，由操作系统支持与管理。是在内核空间实现的，内核空间给每个内核线程设置了一个线程控制块（TCB），设置KLT的操作系统的调度单位是线程。

优点：

1）在多处理机系统中，可以调度同一个进程中的多个线程同时使用CPU（并行工作）

2）如果某个进程被阻塞，则内核可以调度该进程的其他线程使用CPU，也可以调度其他进程的其他线程使用CPU。

3）KTL具有很小的数据结构与堆栈，进程切换较快，开销较小。

4）内核本身可以采用多线程技术，可以提高运行速度和效率。

缺点：

对于用户级线程来说，线程调度的时候需要进行模式切换（用户--内核），开销较大。

由于上边两者都有优缺点，因此采用他们组合的方式进行互补。

组合方式：

多对一模型：

组合方式即将用户级别线程对内核线程进行绑定，在多对一的模型中这里的多是多个用户线程（一般属于一个进程），一 指的是一个内核线程，虽然多对一，但是每次只能一个用户线程对内核线程进行映射，即同一时刻只有一个用户线程可以访问内核，当发生阻塞时，整个进程都会阻塞。

一对一模型（主流）：

 一对一模型是为每一个用户进程都绑定一个核心进程进行映射，并发性较好，当线程阻塞时，其他线程依然可以访问内核。但是系统开销较大，每设一个用户线程都要创建一个内核线程，因此需要控制线程数量。

多对多模型：

多对多模型，即将许多用户线程映射到同样数量或更少数量的内核线程上。内核控制线程的数目可以根据应用进程和系统的不同而变化，可以比用户线程少，也可以与之相同。该模型结合上述两种模型的优点， 它可以像一对一模型那样，使一个进程的多个线程并行地运行在多处理机系统上，也可像多对一模型那样，减少线程的管理开销和提高效率。 节省了内核开销，但是实现复杂，中间需要多了一层分配器。

多线程实验：

（1）使用Pthreads库创建多个线程，并观察线程的并发执行现象以及数据共享关系

（2）Monte Carlo技术计算Π值（多线程）

                π = 4 *(圆内点数)  /（总的点数）

创建线程代码及解释：

#include 
#include 
#include 
#include 
 
void* threadFunc(void* arg){ //线程函数
    
        printf("In NEW thread\n");
 
}
 
int main()
{
    pthread_t tid;
    
    pthread_create(&tid, NULL, threadFunc, NULL);
    
    pthread_join(tid, NULL);
    
    printf("In main thread\n"); 
    
    return 0;
}

pthread_create(&tid, NULL, threadFunc, NULL)函数讲解：

第一个参数：第一个参数是用来存储新创建的线程的线程id的地址

第二个参数：第二个参数是指定线程的属性地址

第三个参数：第三个参数是线程执行任务函数的地址（函数执行的起始地址）

第四个参数：第四个参数是传给线程函数参数的地址

该函数结束之后会立即返回，继续执行。

pthread_join(tid, NULL);函数讲解：

它是等待函数，等待指定线程结束后才结束。

执行结果：

将 pthread_join(tid, NULL)注释后执行结果：

造成这种结果的原因是主线程没有等待子线程结束后再结束，main线程结束后会回收所有资源。

实验一代码：

 运行结果：

结果可知两个线程是并发执行的

上图是解决的线程并发问题，下边是解决的数据共享问题：

 代码：

 在代码中添加了一个全局变量，通过打印全局变量来进行分析

运行结果：

 这里与父子进程的数据就产生了差别。

 Monte Carlo技术计算Π值：

intervals变量是随机产生的点的数量

rand_x是随机产生点的横坐标

rand_y是随机生成点的纵坐标

随机生成点是通过rand函数生成，生成的数是在[0，RAND_MAX]，每个系统都有自己的RAND_MAX，根据表达式，最后生成的x,y的坐标在单位圆中。

circle_points是落入圆内的点数

square_point是总共的点数

非多线程的计算方法：

多线程实现：

通过多线程计算Π值，将线程函数单独实现，在main函数中调用。

在main函数中设置了两个数组，数组1存储线程号（跟随for循环的i值得变化而变化）、数组2存储得是调用函数得参数（该参数在线程中控制循环得次数，传入得是地址类型，在线程中转换成int*类型，再进行解引用）（值也是随for循环得i值而变化）

在mian函数中arg+i加的是一个int类型得地址（四个字节）（arg代表的是数组的首地址）。

 运行结果：

 通过时间对比可知，单线程的开销比多线程的开销较小（线程的切换），当然这个是跟你给虚拟机所分配的cpu有关，在多个cpu实现多线程的时候，真正的消耗的时间是减小的，但是用户的时间是不变得，毕竟任务量是一定的。