操作系统（2）线程

痛定思痛。 2022-12-02 13:59 183阅读 0赞

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多线程的应用场景：

![20200909094642535.png][]

### 1. 进程和线程的区别： ###

**1）啥是进程**

> 进程是指在系统中正在运行的一个应用程序，每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用且受保护的内存空间内。
> 
> 比如同时打开QQ、Xcode，系统就会分别启动2个进程,通过“活动监视器”可以查看Mac系统中所开启的进程.要是同时开启两个播放器，那么就是开启了两个进程。

**2）啥是线程**

> 1个进程要想执行任务，必须得有线程（每1个进程至少要有1条线程），线程是进程的基本执行单元，一个进程（程序）的所有任务都在线程中执行 比如使用酷狗播放音乐、使用迅雷下载电影，都需要在线程中执行.

**3)两者的区别**

**单线程、多线程在进程中的不同表现形式**

**同一进程中的多个线程共享 代码段、数据和其他操作系统资源**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

1.  进程是操作系统资源分配的基本单位；线程是任务调度和执行的基本单位。
2.  进程有自己独立的地址空间，每启动一个进程，系统都会为其分配地址空间；线程没有独立的地址空间（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源。
3.  每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），进程之间的切换会有较大的开销；而所属同一个进程的线程共享代码和数据空间，线程之间切换的开销小。
4.  线程之间通信更方便，同一个进程下，线程共享全局变量，静态变量等数据；进程之间的通信需要以通信的方式（IPC）进行（但多线程程序处理好同步与互斥是个难点）。
5.  多进程程序更安全，生命力更强，一个进程死掉不会对另一个进程造成影响（源于有独立的地址空间）；多线程程序更不易维护，一个线程死掉，整个进程就死掉了（因为共享地址空间）；

2. 多线程模型

### 3. 线程间的同步： ###

![20171121130628916][]

线程间的同步方式有四种：临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）、事件（Event）

**1、临界区（Critical Section）**：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。

**在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问**，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。

> 优点：保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法
> 
> 缺点：虽然临界区同步速度很快，但却只能用来同步本进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程。

**2、互斥量（Mutex）**：采用互斥对象机制。

只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问

互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享 .互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。

> 优点：使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。
> 
> 缺点：
> 
> ①互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用，所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。
> 
> ②通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号量对象可以说是一种资源计数器。

**3、信号量（Semaphore）**：它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目 .

信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。

PV操作及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量S是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数。  
　　 P操作申请资源：  
　　（1）S减1；  
　　（2）若S减1后仍大于等于零，则进程继续执行；  
　　（3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转入进程调度。  
　　  
　　V操作 释放资源：  
　　（1）S加1；  
　　（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；  
　　（3）若相加结果小于等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。

> 优点：适用于对Socket（套接字）程序中线程的同步。（例如，网络上的HTTP服务器要对同一时间内访问同一页面的用户数加以限制，只有小于设定的最大用户数目的线程能够进行访问，而其他的访问企图则被挂起，只有在有用户退出对此页面的访问后才有可能进入。）
> 
> 缺点：
> 
> ①信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点；
> 
> ②信号量机制功能强大，但使用时对信号量的操作分散， 而且难以控制，读写和维护都很困难，加重了程序员的编码负担；
> 
> ③核心操作P-V分散在各用户程序的代码中，不易控制和管理，一旦错误，后果严重，且不易发现和纠正。

**4、事 件（Event）**： 通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作 .

总结：  
　　1． 互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。  
　　2． 互斥量（Mutex），信号量（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作，而其他的对象与数据同步操作无关，但对于进程和线程来讲，如果进程和线程在运行状态则为无信号状态，在退出后为有信号状态。所以可以使用WaitForSingleObject来等待进程和线程退出。  
　　3． 通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号灯对象可以说是一种资源计数器。

总结：

①临界区不是内核对象，只能用于进程内部的线程同步，是用户方式的同步。互斥、信号量是内核对象可以用于不同进程之间的线程同步（跨进程同步）。  
②互斥其实是信号量的一种特殊形式。互斥可以保证在某一时刻只有一个线程可以拥有临界资源。信号量可以保证在某一时刻有指定数目的线程可以拥有临界资源。

### 4. 线程间的通信： ###

线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制

**1）锁机制**

互斥锁、条件变量、读写锁和自旋锁。

*  **`互斥锁：`**确保同一时间只能有一个线程访问共享资源。当锁被占用时试图对其加锁的线程都进入阻塞状态(释放CPU资源使其由运行状态进入等待状态)。当锁释放时哪个等待线程能获得该锁取决于内核的调度。
 *  **`读写锁：`**当以写模式加锁而处于写状态时任何试图加锁的线程(不论是读或写)都阻塞，当以读状态模式加锁而处于读状态时“读”线程不阻塞，“写”线程阻塞。读模式共享，写模式互斥。
 *  **`条件变量：`**可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。
 *  **`自旋锁：`**上锁受阻时线程不阻塞而是在循环中轮询查看能否获得该锁，没有线程的切换因而没有切换开销，不过对CPU的霸占会导致CPU资源的浪费。 所以自旋锁适用于并行结构(多个处理器)或者适用于锁被持有时间短而不希望在线程切换产生开销的情况。

**2）信号量机制（Semaphore）**

包括无名线程信号量和命名线程信号量。线程的信号和进程的信号量类似，使用线程的信号量可以高效地完成基于线程的资源计数。信号量实际上是一个非负的整数计数器，用来实现对公共资源的控制。在公共资源增加的时候，信号量就增加；公共资源减少的时候，信号量就减少；只有当信号量的值大于0的时候，才能访问信号量所代表的公共资源。

**3）信号机制（Signal）**

类似于进程的信号

### 5. 线程池的使用 ###

![20200909095636316.png][]

**1）线程池是啥**

基本思想还是一种对象池的思想，开辟一块内存空间，里面存放了众多(未死亡)的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样可以避免反复创建线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。

**2）线程池几个概念**

**核心线程（corePool）**：线程池最终执行任务的角色肯定还是线程，同时我们也会限制线程的数量，所以我们可以这样理解核心线程，**有新任务提交时，首先检查核心线程数，如果核心线程都在工作，而且数量也已经达到最大核心线程数，则不会继续新建核心线程，而会将任务放入等待队列**。

**等待队列 (workQueue)**：等待队列用于存储**当核心线程都在忙时，继续新增的任务，核心线程在执行完当前任务后，也会去等待队列拉取任务继续执行**，这个队列一般是一个线程安全的阻塞队列，它的容量也可以由开发者根据业务来定制。

**非核心线程**：**当等待队列满了，如果当前线程数没有超过最大线程数，则会新建线程执行任务**，那么核心线程和非核心线程到底有什么区别呢？**说出来你可能不信，本质上它们没有什么区别，创建出来的线程也根本没有标识去区分它们是核心还是非核心的，线程池只会去判断已有的线程数（包括核心和非核心）去跟核心线程数和最大线程数比较，来决定下一步的策略**。

**线程活动保持时间 (keepAliveTime)**：线程空闲下来之后，保持存活的持续时间，超过这个时间还没有任务执行，该工作线程结束。

**饱和策略 (RejectedExecutionHandler)**：当等待队列已满，线程数也达到最大线程数时，线程池会根据饱和策略来执行后续操作，默认的策略是抛弃要加入的任务。

一图剩千言，上一张图概括线程池的基本运作流程。

![线程池运作概览.png][.png]

关于线程池的状态，有5种，

1.  RUNNING, 运行状态，值也是最小的，刚创建的线程池就是此状态。
2.  SHUTDOWN，停工状态，不再接收新任务，已经接收的会继续执行
3.  STOP，停止状态，不再接收新任务，已经接收正在执行的，也会中断
4.  清空状态，所有任务都停止了，工作的线程也全部结束了
5.  TERMINATED，终止状态，线程池已销毁

它们的流转关系如下：

![线程状态流转.png][.png 1]

**3）线程池的优点**

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1）避免线程的创建和销毁带来的性能开销。  
2）避免大量的线程间因互相抢占系统资源导致的阻塞现象。  
3｝能够对线程进行简单的管理并提供定时执行、间隔执行等功能。

《阿里巴巴java手册》的一条：

![0628ea195692429700d3b89b97c357d5.png][]

使用线程池有以下几个目的：

*  线程是稀缺资源，不能频繁的创建。
 *  解耦作用；线程的创建于执行完全分开，方便维护。
 *  应当将其放入一个池子中，可以给其他任务进行复用。

常见的创建线程池方式有以下几种：

*  `Executors.newCachedThreadPool()`：无限线程池。
 *  `Executors.newFixedThreadPool(nThreads)`：创建固定大小的线程池。
 *  `Executors.newSingleThreadExecutor()`：创建单个线程的线程池。

其实看这三种方式创建的源码就会发现：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

实际上还是利用 `ThreadPoolExecutor` 类实现的。

所以我们重点来看下 `ThreadPoolExecutor` 是怎么玩的。

首先是创建线程的 api：

ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler)

这几个核心参数的作用：

*  `corePoolSize` 为线程池的基本大小。
 *  `maximumPoolSize` 为线程池最大线程大小。
 *  `keepAliveTime` 和 `unit` 则是线程空闲后的存活时间。
 *  `workQueue` 用于存放任务的阻塞队列。
 *  `handler` 当队列和最大线程池都满了之后的饱和策略。

**如何配置线程：**

有一点是肯定的，线程池肯定是不是越大越好。

通常我们是需要根据这批任务执行的性质来确定的。

*  IO 密集型任务：由于线程并不是一直在运行，所以可以尽可能的多配置线程，比如 CPU 个数 \* 2
 *  CPU 密集型任务（大量复杂的运算）应当分配较少的线程，比如 CPU 个数相当的大小。

当然这些都是经验值，最好的方式还是根据实际情况测试得出最佳配置

**4）线程调度**

(1) 抢占式调度策略

Java运行时系统的线程调度算法是抢占式的。Java运行时系统支持一种简单的固定优先级的调度算法。如果一个优先级比其他任何处于可运行状态的线程都高的线程进入就绪状态，那么运行时系统就会选择该线程运行。新的优先级较高的线程抢占了其他线程。但是Java运行时系统并不抢占同优先级的线程。换句话说，Java运行时系统不是分时的。然而，基于Java Thread类的实现系统可能是支持分时的，因此编写代码时不要依赖分时。当系统中的处于就绪状态的线程都具有相同优先级时，线程调度程序采用一种简单的、非抢占式的轮转的调度顺序。

(2) 时间片轮转调度策略

有些系统的线程调度采用时间片轮转调度策略。这种调度策略是从所有处于就绪状态的线程中选择优先级最高的线程分配一定的CPU时间运行。该时间过后再选择其他线程运行。只有当线程运行结束、放弃(yield)CPU或由于某种原因进入阻塞状态，低优先级的线程才有机会执行。如果有两个优先级相同的线程都在等待CPU，则调度程序以轮转的方式选择运行的线程。

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