操作系统知识点-4.线程原理（上）：线程基础与线程同步

痛定思痛。 2021-12-20 15:53 163阅读 0赞

# 操作系统核心原理-4.线程原理（上）：线程基础与线程同步 #

**我们都知道，进程是运转中的程序，是为了在CPU上实现多道编程而发明的一个概念。但是进程在一个时间只能干一件事情，如果想要同时干两件或者多件事情，例如同时看两场电影，我们自然会想到传说中的分身术，就像孙悟空那样可以变出多个真身。虽然我们在现实中无法分身，但进程却可以办到，办法就是线程。线程就是我们为了让一个进程能够同时干多件事情而发明的“分身术”。**

# 一、线程基础 #

## 1.1 线程概念 ##

线程是进程的“分身”，是进程里的一个执行上下文或执行序列。of course,一个进程可以同时拥有多个执行序列。这就像舞台，舞台上可以有多个演员同时出场，而这些演员和舞台就构成了一出戏。类比进程和线程，每个演员是一个线程，舞台是地址空间，这样同一个地址空间中的所有线程就构成了进程。

![381412-20151210215658511-782705517.jpg][]

在线程模式下，一个进程至少有一个线程，也可以有多个线程，如下图所示：

![381412-20151210223430652-1723913269.jpg][]

将进程分解为线程**可以有效地利用多处理器和多核计算机**。例如，当我们使用Microsoft Word时，实际上是打开了多个线程。这些线程一个负责显示，一个负责接收输入，一个定时进行存盘......这些线程一起运转，让我们感觉到输入和显示同时发生，而不用键入一些字符等待一会儿才显示到屏幕上。在不经意间，Word还能定期自动保存。

## 1.2 线程管理 ##

线程管理与进程管理类似，需要一定的基础：维持线程的各种信息，这些信息包含了线程的各种关键资料。于是，就有了线程控制块。

由于线程间共享一个进程空间，因此，许多资源是共享的（这部分资源不需要存放在线程控制块中）。但又因为线程是不同的执行序列，总会有些不能共享的资源。一般情况下，统一进程内的线程间共享和独享资源的划分如下表所示：

![381412-20151210224200715-688806242.jpg][]

## 1.3 线程模型 ##

现代操作系统结合了用户态和内核态的线程模型，其中用户态的执行系统负责进程内部在非阻塞时的切换，而内核态的操作系统则负责阻塞线程的切换，即同时实现内核态和用户态线程管理。其中，内核态线程数量极少，而用户态线程数量较多。每个内核态线程可以服务一个或多个用户态线程。换句话说，用户态线程会被多路复用到内核态线程上。

## 1.4 多线程的关系 ##

推出线程模型的目的就是实现进程级并发，因为在一个进程中通常会出现多个线程。多个线程共享一个舞台，时而交互，时而独舞。但是，共享一个舞台会带来不必要的麻烦，这些麻烦归结到下面两个根本问题：

（1）线程之间如何通信？

（2）线程之间如何同步？

上述两个问题在进程层面同样存在，在前面的进程原理部分已经进行了介绍，从一个更高的层次上看，不同的进程也共享着一个巨大的空间，这个空间就是整个计算机。

# 二、线程同步 #

## 2.1 同步的原因和目的 ##

（1）原因

线程之间的关系是合作关系，既然是合作，那么久得有某种约定的规则，否则合作就会出问题。例如下图中，一个进程的两个线程因为操作不同步而造成线程1运行错误：

![381412-20151212172737309-1883785440.jpg][]

出现上述问题原因在于两点：一是线程之间共享的全局变量；二是线程之间的相对执行顺序是不确定的。针对第一点，如果所有资源都不共享，那就违背了进程和线程设计的初衷：资源共享、提高资源利用率。针对第二点，需要**让线程之间的相对执行顺序在需要的时候可以确定**。

（2）目的

线程同步的目的就在于不管线程之间的执行如何穿插，其运行结果都是正确的。换句话说，就是要**保证多线程执行下结果的确定性**。与此同时，也要保持对线程执行的限制越少越少。

## 2.2 同步的方式 ##

（1）一些必要概念

① 两个或多个线程争相执行同一段代码或访问同一资源的现象称为**竞争**。

② 可能造成竞争的共享代码段或资源就被称为**临界区**。

③ 在任何时刻都能有一个线程在临界区中的现象被称为**互斥**。（一次只有一个人使用共享资源，其他人皆排除在外）

（2）锁

![lock][]

① 关于锁

当两个教师都想使用同一个教室来为学生补课，如何协调呢？进到教室后将门锁上，另外一个教室就无法进来使用教室了。即教室是用锁来保证互斥的，那么在操作系统中，这种可以保证互斥的同步机制就被称为锁。

例如，在.NET中可以直接使用lock语句来实现线程同步：

private object locker = new object();
        public void Work()
        {
              lock (locker)
              {
                  // 做一些需要线程同步的工作
              }
         }

锁有两个基本操作：闭锁和开锁。很容易理解，闭锁就是将锁锁上，其他人进不来；开锁就是你做的事情做完了，将锁打开，别的人可以进去了。开锁只有一个步骤那就是打开锁，而闭锁有两个步骤：一是等待锁达到打开状态，二是获得锁并锁上。显然，**闭锁的两个操作应该是原子操作，不能分开**。

② 睡觉与叫醒

当对方持有锁时，你就不需要等待锁变为打开状态，而是去睡觉，锁打开后对方再来把你叫醒，这是一种典型的生产者消费者模式。用计算机来模拟生产者消费者并不难：一个进程代表生产者，一个进程代表消费者，一片内存缓冲区代表商店。生产者将生产的物品从一端放入缓冲区，消费者则从另外一端获取物品，如下图所示：

![381412-20151213103941294-598672951.jpg][]

例如，在.NET中可以通过Monitor.Wait()与Monitor.Pulse()来进行睡觉和叫醒操作：

首先是消费者线程

public void ConsumerDo()
    {
        while (true)
        {
            lock(sync)
            {
                // Step1:做一些消费的事情
                ......
                // Step2:唤醒生产者线程
                Monitor.Pulse(sync);
                // Step3:释放锁并阻止消费者线程
                Monitor.Wait(sync);
            }
        }
    }

其次是生产者线程

public void ProducerDo()
    {
        while (true)
        {
            lock(sync)
            {
                // Step1:做一些生产操作
                ......
                // Step2:唤醒消费者线程
                Monitor.Pulse(Dog.lockCommunicate);
                // Step3:释放锁并阻止生产者线程
                Monitor.Wait(Dog.lockCommunicate);
            }
        }
    }

但是，在此种情形下，生产者和消费者都有可能进入睡觉状态，从而无法相互叫醒对方而继续往前推进，也就发生了系统死锁。如何解决？我们可以用某种方法将发出的信号累积起来，而不是丢掉。即消费者获得CPU执行sleep语句后，生产者在这之前发送的叫醒信号还保留，因此消费者将马上获得这个信号而醒过来。而能够将信号累积起来的操作系统原语就是信号量。

（2）信号量

信号量（Semaphore）是一个计数器，其取值为当前累积的信号数量。它支持两个操作：加法操作up和减法操作down。执行down减法操作时，请求该信号量的一个线程会被挂起；而执行up加法操作时，会叫醒一个在该信号量上面等待的线程。down和up操作在历史上被称为P和V操作，是操作系统中最重要的同步原语的两个基本操作。

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。这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。

![keys][]

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。这种做法就叫做"信号量"，用来保证多个线程不会互相冲突。

例如，在.NET中提供了一个Semaphore类来进行信号量操作，下面的示例代码演示了4条线程想要同时执行ThreadEntry()方法，但同时只允许2条线程进入：

class Program
        {
            // 第一个参数指定当前有多少个“空位”（允许多少条线程进入）
            // 第二个参数指定一共有多少个“座位”（最多允许多少个线程同时进入）
            static Semaphore sem = new Semaphore(2, 2);
    
            const int threadSize = 4;
    
            static void Main(string[] args)
            {
                for (int i = 0; i < threadSize; i++)
                {
                    Thread thread = new Thread(ThreadEntry);
                    thread.Start(i + 1);
                }
    
                Console.ReadKey();
            }
    
            static void ThreadEntry(object id)
            {
                Console.WriteLine("线程{0}申请进入本方法", id);
                // WaitOne:如果还有“空位”，则占位，如果没有空位，则等待；
                sem.WaitOne();
                Console.WriteLine("线程{0}成功进入本方法", id);
                // 模拟线程执行了一些操作
                Thread.Sleep(100);
                Console.WriteLine("线程{0}执行完毕离开了", id);
                // Release:释放一个“空位”
                sem.Release();
            }
        }

如果将资源比作“座位”，Semaphore接收的两个参数中：第一个参数指定当前有多少个“空位”（允许多少条线程进入），第二个参数则指定一共有多少个“座位”（最多允许多少个线程同时进入）。WaitOne()方法则表示如果还有“空位”，则占位，如果没有空位，则等待；Release()方法则表示释放一个“空位”。

不难看出，mutex互斥锁是semaphore信号量的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。

但是，如果生产者或消费者将两个up/down操作顺序颠倒，也同样会产生死锁。也就是说，使用信号量原语时，信号量操作的顺序至关重要。那么，有木有办法改变这种情况，可不可将信号量的这些组织工作交给一个专门的构造来负责，解放广大程序员？答案是管程。

（3）管程

管程（Monitor）即监视器的意思，它监视的就是进程或线程的同步操作。具体来说，管程就是一组子程序、变量和数据结构的组合。言下之意，把需要同步的代码用一个管程的构造框起来，即将需要保护的代码置于begin monitor和end monitor之间，即可获得同步保护，也就是任何时候只能有一个线程活跃在管程里面。

同步操作的保证是由编译器来执行的，编译器在看到begin monitor和end monitor时就知道其中的代码需要同步保护，在翻译成低级代码时就会将需要的操作系统原语加上，使得两个线程不能同时活跃在同一个管程内。

例如，在.NET中提供了一个Monitor类，它可以帮我们实现互斥的效果：

private object locker = new object();
        public void Work()
        {
            // 避免直接使用私有成员locker（直接使用有可能会导致线程不安全）
            object temp = locker;
            Monitor.Enter(temp);
            try
            {
                // 做一些需要线程同步的工作
            }
            finally
            {
                Monitor.Exit(temp);
            }
        }

在管程中使用两种同步机制：锁用来进行互斥，条件变量用来控制执行顺序。从某种意义上来说，管程就是**锁+条件变量**。

> About：条件变量就是线程可以在上面等待的东西，而另外一个线程则可以通过发送信号将在条件变量上的线程叫醒。因此，条件变量有点像信号量，但又不是信号量，因为不能对其进行up和down操作。

管程最大的问题就是对编译器的依赖，因为我们需要将编译器需要的同步原语加在管程的开始和结尾。此外，管程只能在单台计算机上发挥作用，如果想在多计算机环境下进行同步，那就需要其他机制了，而这种其他机制就是消息传递。

（4）消息传递

消息传递是通过同步双方经过互相收发消息来实现，它有两个基本操作：发送send和接收receive。他们均是操作系统的系统调用，而且既可以是阻塞调用，也可以是非阻塞调用。而同步需要的是阻塞调用，即如果一个线程执行receive操作，就必须等待受到消息后才能返回。也就是说，如果调用receive，则该线程将挂起，在收到消息后，才能转入就绪。

消息传递最大的问题就是消息丢失和身份识别。由于网络的不可靠性，消息在网络间传输时丢失的可能性较大。而身份识别是指如何确定收到的消息就是从目标源发出的。其中，消息丢失可以通过使用TCP协议减少丢失，但也不是100%可靠。身份识别问题则可以使用诸如数字签名和加密技术来弥补。

（5）栅栏

栅栏顾名思义就是一个障碍，到达栅栏的线程必须停止下来，知道出去栅栏后才能往前推进。该院与主要用来对一组线程进行协调，因为有时候一组线程协同完成一个问题，所以需要所有线程都到同一个地方汇合之后一起再向前推进。

例如，在并行计算时就会遇到这种需求，如下图所示：

![381412-20151214003213762-1671679749.jpg][]

# 参考资料 #

![381412-20151125223110077-842709175.jpg][]

邹恒明，《操作系统之哲学原理》，机械工业出版社

作者：[周旭龙][Link 1]

出处：[http://edisonchou.cnblogs.com][http_edisonchou.cnblogs.com]

转载于:https://www.cnblogs.com/caesar836/p/10577689.html

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[381412-20151210223430652-1723913269.jpg]: /images/20211220/dc48794d4bb74d9696a905dc50fa218f.png
[381412-20151210224200715-688806242.jpg]: /images/20211220/6839a78ffa314b09b7875b108a19c582.png
[381412-20151212172737309-1883785440.jpg]: /images/20211220/8ac6923b4feb408090bee34619a9f8cf.png
[lock]: /images/20211220/58ccaa1dca744403b4664cf1cb240beb.png
[381412-20151213103941294-598672951.jpg]: /images/20211220/b35906e2a6224fea8f93fcf3190508d3.png
[keys]: /images/20211220/2a2fb5effba046c3b5126a205f69c934.png
[381412-20151214003213762-1671679749.jpg]: /images/20211220/6517dd383a734aa0a12622fa0cd3ad94.png
[381412-20151125223110077-842709175.jpg]: /images/20211220/9e8b5d19eb404a63ae06e7fb6e9c8f76.png
[Link 1]: http://www.cnblogs.com/edisonchou/
[http_edisonchou.cnblogs.com]: http://edisonchou.cnblogs.com