学习路线-后端-操作系统-线程与并发

一时失言乱红尘 2022-12-04 08:59 163阅读 0赞

# 线程 #

线程是进程中的一条执行路径，当系统支持多线程处理时，线程时任务调度的单位，但不是系统资源的分配单位。线程完全继承父进程占有的资源，只是当它活动时有自己的运行现场。

## 与进程区别 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>序号</th> 
   <th>进程</th> 
   <th>线程</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>进程是重量级，资源密集型</td> 
   <td>轻量级，消耗更小的资源（与进程比）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>进程切换需要与操作系统交互</td> 
   <td>线程切换不需要与操作系统交互</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>多进程，相同代码，但每个进程拥有自己的资源</td> 
   <td>所有的线程可共用资源</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>当一个进程阻塞，其他进程等待</td> 
   <td>当一个线程阻塞，后续线程可执行</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5</td> 
   <td>多进程中不用线程会用更多的资源</td> 
   <td>多线程进程用更傻少的资源</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>6</td> 
   <td>多进程中，每个进程都是相互独立的</td> 
   <td>一个线程可以改变读，写，改变其它线程的数据</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 特点 ##

*  线程创建与管理的开销小得多，因为多线程可以共享父进程的所有程序和全局数据，这意味着创建一个新线程只涉及最小量的主存分配（线程表），也意味着一个进程创建的多个线程可以共享地址区域和数据。
 *  在进程内创建多线程，可以提高系统的并行处理能力。
 *  线程降低了上下文切换的时间
 *  多线程使得在进程中并发执行任务
 *  有效的通信
 *  线程的创建和切换上下文更加经济
 *  线程使得多处理器架构伸缩性更高、更有效

## 状态转换 ##

线程是处理机调度的最小单位，而不是进程。一个进程可以创建一个线程，那么它具有单一的控制路径，一个进程也可以创建多个线程，那么它具有多个控制路径。  
这时，**线程是争夺CPU的单位**。  
线程的过程：**创建，运行，等待，就绪或终止**。

## 用户线程和内核线程 ##

**用户线程**：在内核支持下，在用户层通过线程库实现的。线程库提供对线程创建、调度和管理等方面的支持。用户线程的创建和调度是在**用户空间**进行的，不需要内核干预，因此用户级线程通常能快速地创建和管理。  
**缺点：**如果内核是单线程的，那么任何一个用户级线程执行了一个线程等待的系统调用，就会引起整个进程的阻塞。

**内核线程**：操作系统直接支持。管理由操作系统完成。内核在其空间内执行线程创建，调度和管理。内核线程的创建和管理比在用户级创建和管理用户线程要慢，但正是由于内核管理线程，当一个线程执行等待的系统调用时，内核能调度应用程序内的另一个线程去运行。

## 多线程 ##

**单进程（单线程与多线程）**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjExODcxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

# 并发 #

## 并发与并行 ##

*  并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
 *  并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjExODcxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

在操作系统中，安装了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单 CPU系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分 时交替运行的时间是非常短的。 而在多个 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行， 即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

**注意**：单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理，线程也是一样的，从宏观角度上理解线程是并行运行的，但是从微观角度上分析却是串行运行的，即一个线程一个线程的去运行，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。

## 并发机制 ##

在UNIX/Linux系统中，创建一个新进程的唯一方法就是调用系统调用fork。调用fork的为父进程，新创建的进程叫做子进程。格式：

pid = fork();

完成以下操作：

1.  为新进程分配一个新的PCB结构；
2.  为子进程赋一个唯一的进程标识号（PID）；
3.  做一个父进程上下文的逻辑副本。正文代码区无需拷贝，只需增加引用数即可。父子进程将执行相同的代码。但数据段和堆栈段属于进程的私有数据，需要拷贝到新的内存区中。
4.  增加与该进程相关联的文件表和索引节点表的引用数。父进程打开的文件子进程可以继续使用。
5.  对父进程返回子进程的进程号，对子进程返回零。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjExODcxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221123/27f8a7b780c243ac8dde367c7a72db59.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjExODcxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221123/86a0eab111784f70b24d22c14860ec47.png