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线程

Jeff 收录于 操作系统
   约 1987 字   预计阅读 4 分钟 

线程简介

一个程序只有一个执行点（一个程序计数器，用来存放要执行的指令），但多线程（multi-threaded）程序会有多个执行点（多个程序计数器，每个都用于取指令和执行）。

换一个角度来看，每个线程类似于独立的进程，只有一点区别：它们共享地址空间，从而能够访问相同的数据。

单个线程的状态与进程状态非常类似。线程有一个程序计数器（PC），记录程序从哪里获取指令。每个线程有自己的一组用于计算的寄存器。

如果有两个线程运行在一个处理器上，从运行一个线程（T1）切换到另一个线程（T2）时，必定发生上下文切换（context switch）。线程之间的上下文切换类似于进程间的上下文切换。对于进程，我们将状态保存到进程控制块（Process Control Block，PCB）。现在，我们需要一个或多个线程控制块（Thread Control Block，TCB），保存每个线程的状态。但是，与进程相比，线程之间的上下文切换有一点主要区别：地址空间保持不变（即不需要切换当前使用的页表）。

在多线程的进程中，每个线程独立运行，当然可以调用各种例程来完成正在执行的任何工作。不是地址空间中只有一个栈，而是每个线程都有一个栈。

线程共享资源 线程独享资源
地址空间 程序计数器
全局变量 寄存器
打开的文件 栈
子进程 状态字
信号及信号服务程序

线程 API

线程创建

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#include <pthread.h>
int
pthread_create(      pthread_t *        thread,
               const pthread_attr_t *  attr,
                     void *             (*start_routine)(void*),
                     void *             arg);

该函数有 4 个参数：thread、attr、start_routine 和 arg。

  1. 第一个参数 thread 是指向 pthread_t 结构类型的指针，我们将利用这个结构与该线程交互，因此需要将它传入 pthread_create()，以便将它初始化。
  2. 第二个参数 attr 用于指定该线程可能具有的任何属性。一些例子包括设置栈大小，或关于该线程调度优先级的信息。
  3. 第三个参数最复杂，但它实际上只是问：这个线程应该在哪个函数中运行？在 C 中，我们把它称为一个函数指针（function pointer），这个指针告诉我们需要以下内容：一个函数名称（start_routine）。
  4. 第四个参数 arg 就是要传递给线程开始执行的函数的参数。

线程完成

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void *mythread(void *arg) {
    int m = (int) arg;
    printf("%d\n", m);
    return (void *) (arg + 1);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t p;
    int rc, m;
    Pthread_create(&p, NULL, mythread, (void *) 100);
    Pthread_join(p, (void **) &m);
    printf("returned %d\n", m);
    return 0;
}

该函数有两个参数。

  1. 第一个是 pthread_t 类型，用于指定要等待的线程。
  2. 第二个参数是一个指针，指向你希望得到的返回值。因为函数可以返回任何东西，所以它被定义为返回一个指向 void 的指针。

锁

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int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

条件变量

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int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

线程的生命周期

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                            线程被选中
●-------> 创建 -------> 就绪 <-------> 运行 -------> 退出 -------> ●
                         ↑ 时间片用尽 /
                          \         /
                    阻塞结束\       /等待IO或其他任务
                            \     /
                             \   ↓
                               阻塞

创建：一个新的线程被创建，等待该线程被调用执行； 就绪：时间片已用完，此线程被强制暂停，等待下一个属于它的时间片到来； 运行：此线程正在执行，正在占用时间片； 阻塞：也叫等待状态，等待某一事件(如 IO 或另一个线程)执行完； 退出：一个线程完成任务或者其他终止条件发生，该线程终止进入退出状态，退出状态释放该线程所分配的资源。

线程通信

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。

互斥锁

互斥锁是最常见的线程同步方式，它是一种特殊的变量，它有 lock 和 unlock 两种状态，一旦获取，就会上锁，且只能由该线程解锁，期间，其他线程无法获取。

优点：使用简单；

缺点：

  1. 重复锁定和解锁，每次都会检查共享数据结构，浪费时间和资源；
  2. 繁忙查询的效率非常低；

条件变量

条件变量的方法是，当线程在等待某些满足条件时使线程进入睡眠状态，一旦条件满足，就唤醒，这样不会占用宝贵的互斥对象锁，实现高效。

条件变量允许线程阻塞并等待另一个线程发送信号，一般和互斥锁一起使用。

条件变量被用来阻塞一个线程，当条件不满足时，线程会解开互斥锁，并等待条件发生变化。一旦其他线程改变了条件变量，将通知相应的阻塞线程，这些线程重新锁定互斥锁，然后执行后续代码，最后再解开互斥锁。

读写锁

读写锁 也称之为 共享-独占锁，一般用在读和写的次数有很大不同的场合。即对某些资源的访问会出现两种情况，一种是访问的排他性，需要独占，称之为写操作；还有就是访问可以共享，称之为读操作。

适用场景：读写锁最适用于对数据结构的读操作次数多于写操作次数的场合。

信号量

信号量 和互斥锁的区别在于：互斥锁只允许一个线程进入临界区，信号量允许多个线程同时进入临界区

可以这样理解，互斥锁使用对同一个资源的互斥的方式达到线程同步的目的，信号量可以同步多个资源以达到线程同步。

信号

类似进程间的信号处理

死锁

死锁的四个必要条件

  1. 资源互斥
  2. 持有并等待
  3. 不能抢占
  4. 循环等待

死锁的应对方法

  1. 顺其自然，不予理睬
  2. 死锁检测与修复
  3. 死锁的动态避免
  4. 死锁的静态防止
  5. 清除四个必要条件中的一个
    1. 资源共享
    2. 一次性抢到所有锁
    3. 允许抢占资源
    4. 顺序请求资源

参考

《操作系统之哲学原理第 2 版》邹恒明

《操作系统导论》

更新于 2018-06-02
 操作系统
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