并发编程----线程介绍

线程

一, 什么是线程

• 在传统操作系统中,每个进程有一个地址空间,而且默认就有一个控制线程
• 进程: 划分空间,加载资源,静态的
• 线程: 执行代码,执行能力,动态的
• 进程只是用来把资源集中到一起(进程只是一个资源单位,或者说资源集合),而线程才是cpu上的执行单位
• 线程是依赖于进程,一个进程可以包含多个线程,但是一定有一个主线程.线程才是CPU执行的最小单元

二, 线程与进程的区别

1. 线程共享创建它的进程的地址空间; 进程有自己的地址空间
2. 线程可以直接访问其进程的数据段(同进程内数据共享); 进程有自己的父进程数据段副本(数据隔离)
3. 线程可以直接与其进程的其他线程通信；进程必须使用进程间通信与兄弟进程通信
4. 新线程很容易创建(创建的开销很少,速度很快);新进程需要父进程的重复(需要开辟空间,复制资源,开销比开启线程多10-100倍)
5. 线程可以对同一进程的线程进行相当大的控制; 进程只能对子进程进行控制
6. 对主线程的更改(取消、优先级更改等)可能会影响进程的其他线程的行为; 对父进程的更改不会影响子进程.

三, 为什么要使用多线程

• 多线程指的是,在一个进程中开启多个线程,简单的讲: 如果多个任务共用一块地址空间,那么必须在一个进程内开启多个线程.详细的讲分为4点:

1. 多线程共享一个进程的地址空间
2. 线程比进程更轻量级,线程比进程更容易创建和撤销,在许多操作系统中,创建一个线程比创建一个进程要快10-100倍,在有大量线程需要动态和快速修改时,这一特性很有用
3. 若多个线程都是cpu密集型的,那么并不能获得性能上的增强,但是如果存在大量的计算和大量的I/O处理,拥有多个线程允许这些活动彼此重叠运行,从而会加快程序执行的速度.
4. 在多cpu系统中,为了最大限度的利用多核,可以开启多个线程,比开进程开销要小的多.(这一条并不适用于python)

四, 多线程的应用

• 例如:
• 开启一个文字处理软件进程,该进程肯定需要办不止一件事情,比如监听键盘输入,处理文字,定时自动将文字保存到硬盘,这三个任务操作的都是同一块数据,因而不能用多进程.只能在一个进程里并发地开启三个线程,如果是单线程,那就只能是: 键盘输入时,不能处理文字和自动保存,自动保存时又不能输入和处理文字.所以要使用多线程

五, 经典的线程模型

• 多个线程共享同一个进程的地址空间中的资源,是对一台计算机上多个进程的模拟,有时也称线程为轻量级的进程
• 而对一台计算机上多个进程,则共享物理内存、磁盘、打印机等其他物理资源
• 多线程的运行也与多进程的运行类似,是cpu在多个线程之间的快速切换
• 不同的进程之间是充满敌意的,彼此是抢占,竞争cpu的关系,如迅雷会和QQ抢资源.而同一个进程内的线程是合作关系,一个线程可以访问另外一个线程的内存地址
• 类似于进程,每个线程也有自己的堆栈
• 不同于进程,线程库无法利用时钟中断强制线程让出CPU,可以调用thread_yield使运行线程自动放弃cpu,让另外一个线程运行
• 线程通常是有益的,但是带来了不小程序设计难度,线程的问题是:
  • 父进程有多个线程,那么开启的子线程是否需要同样多的线程
  • 在同一个进程中,如果一个线程关闭了文件,而另外一个线程正准备往该文件内写内容呢

六, PO SIX线程

• 为了实现可移植的线程程序,IEEE在IEEE标准1003.1c中定义了线程标准,它定义的线程包叫Pthread.大部分UNIX系统都支持该标准,简单介绍如下

  线程调用	描述
  Pthread_create	创建一个新线程
  Pthread_exit	结束调用的线程
  Pthread_join	等待一个特定的线程退出
  Pthread_yield	释放CPU来运行另外一个线程
  Pthread_attr_init	创建并初始化一个线程的属性结构
  Pthread_attr_destroy	删除一个线程的属性结构

七, 在用户空间实现的线程

• 线程的实现可以分为两类: 用户级线程(User-Level Thread)和内核级线程(Kernel-Level Thread),后者又称为内核支持的线程或轻量级进程.在多线程操作系统中,各个系统的实现方式并不相同,在有的系统中实现了用户级线程,有的系统中实现了内核级线程.用户级线程内核的切换由用户态程序自己控制内核切换,不需要内核干涉,少了进出内核态的消耗,但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux Pthread大体是这么做的.
• 在用户空间模拟操作系统对进程的调度,来调用一个进程中的线程,每个进程中都会有一个运行时系统,用来调度线程.此时当该进程获取cpu时,进程内再调度出一个线程去执行,同一时刻只有一个线程执行.

八, 在内核空间实现的线程

• 内核级线程: 切换由内核控制,当线程进行切换的时候,由用户态转化为内核态.切换完毕要从内核态返回用户态; 可以很好的利用smp,即利用多核cpu.windows线程就是这样的

九, 用户级与内核级线程的对比

• 区别:
  1. 内核级线程是OS内核可感知的,而用户级线程是OS内核不可感知的
  2. 用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持,是在语言(如Java)这一级处理的; 而内核级线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持,而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的
  3. 用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断,而内核级线程执行系统调用指令时,只导致该线程被中断
  4. 在只有用户级线程的系统内,CPU调度还是以进程为单位,处于运行状态的进程中的多个线程,由用户程序控制线程的轮换运行; 在有内核级线程的系统内,CPU调度则以线程为单位,由OS的线程调度程序负责线程的调度
  5. 用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序,而内核级线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序
• 内核线程的优缺点:
  • 优点: 当有多个处理机时,一个进程的多个线程可以同时执行
  • 缺点: 由内核进行调度
• 用户线程的优缺点:
  • 优点:
    1. 线程的调度不需要内核直接参与,控制简单
    2. 可以在不支持线程的操作系统中实现
    3. 创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多
    4. 允许每个进程定制自己的调度算法,线程管理比较灵活
    5. 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多
  • 缺点:
    • 资源调度按照进程进行,多个处理机下,同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用
• 混合实现
  • 用户级与内核级的多路复用,内核统一调度内核线程,每个内核线程对应n个用户线程