一 什麼是執行緒  

  在傳統作業系統中,每個程序有一個地址空間,而且預設就有一個控制執行緒

  執行緒顧名思義,就是一條流水線工作的過程,一條流水線必須屬於一個車間,一個車間的工作過程是一個程序

      車間負責把資源整合到一起,是一個資源單位,而一個車間內至少有一個流水線

      流水線的工作需要電源,電源就相當於cpu

  所以,程序只是用來把資源集中到一起(程序只是一個資源單位,或者說資源集合),而執行緒才是cpu上的執行單位。

  多執行緒(即多個控制執行緒)的概念是,在一個程序中存在多個控制執行緒,多個控制執行緒共享該程序的地址空間,相當於一個車間內有多條流水線,都共用一個車間的資源。

      例如,北京地鐵與上海地鐵是不同的程序,而北京地鐵裡的13號線是一個執行緒,北京地鐵所有的線路共享北京地鐵所有的資源,比如所有的乘客可以被所有線路拉。

二 執行緒的建立開銷小

建立程序的開銷要遠大於執行緒?

如果我們的軟體是一個工廠,該工廠有多條流水線,流水線工作需要電源,電源只有一個即cpu(單核cpu)

一個車間就是一個程序,一個車間至少一條流水線(一個程序至少一個執行緒)

建立一個程序,就是建立一個車間(申請空間,在該空間內建至少一條流水線)

而建執行緒,就只是在一個車間內造一條流水線,無需申請空間,所以建立開銷小

程序之間是競爭關係,執行緒之間是協作關係?

車間直接是競爭/搶電源的關係,競爭(不同的程序直接是競爭關係,是不同的程式設計師寫的程式執行的,迅雷搶佔其他程序的網速,360把其他程序當做病毒乾死)
一個車間的不同流水線式協同工作的關係(同一個程序的執行緒之間是合作關係,是同一個程式寫的程式內開啟動,迅雷內的執行緒是合作關係,不會自己幹自己)

三 執行緒與程序的區別

  1. Threads share the address space of the process that created it; processes have their own address space.
  2. Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data segment of the parent process.
  3. Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
  4. New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
  5. Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
  6. Changes to the main thread (cancellation, priority change, etc.) may affect the behavior of the other threads of the process; changes to the parent process does not affect child processes.

四 為何要用多執行緒

  多執行緒指的是,在一個程序中開啟多個執行緒,簡單的講:如果多個任務共用一塊地址空間,那麼必須在一個程序內開啟多個執行緒。詳細的講分為4點:

  1. 多執行緒共享一個程序的地址空間

      2. 執行緒比程序更輕量級,執行緒比程序更容易建立可撤銷,在許多作業系統中,建立一個執行緒比建立一個程序要快10-100倍,在有大量執行緒需要動態和快速修改時,這一特性很有用

      3. 若多個執行緒都是cpu密集型的,那麼並不能獲得性能上的增強,但是如果存在大量的計算和大量的I/O處理,擁有多個執行緒允許這些活動彼此重疊執行,從而會加快程式執行的速度。

      4. 在多cpu系統中,為了最大限度的利用多核,可以開啟多個執行緒,比開程序開銷要小的多。(這一條並不適用於python)

五 多執行緒的應用舉例

開啟一個字處理軟體程序,該程序肯定需要辦不止一件事情,比如監聽鍵盤輸入,處理文字,定時自動將文字儲存到硬碟,這三個任務操作的都是同一塊資料,因而不能用多程序。只能在一個程序裡併發地開啟三個執行緒,如果是單執行緒,那就只能是,鍵盤輸入時,不能處理文字和自動儲存,自動儲存時又不能輸入和處理文字。

六 經典的執行緒模型(瞭解)

  多個執行緒共享同一個程序的地址空間中的資源,是對一臺計算機上多個程序的模擬,有時也稱執行緒為輕量級的程序

  而對一臺計算機上多個程序,則共享實體記憶體、磁碟、印表機等其他物理資源。

  多執行緒的執行也多程序的執行類似,是cpu在多個執行緒之間的快速切換。

  不同的程序之間是充滿敵意的,彼此是搶佔、競爭cpu的關係,如果迅雷會和QQ搶資源。而同一個程序是由一個程式設計師的程式建立,所以同一程序內的執行緒是合作關係,一個執行緒可以訪問另外一個執行緒的記憶體地址,大家都是共享的,一個執行緒乾死了另外一個執行緒的記憶體,那純屬程式設計師腦子有問題。

  類似於程序,每個執行緒也有自己的堆疊

  不同於程序,執行緒庫無法利用時鐘中斷強制執行緒讓出CPU,可以呼叫thread_yield執行執行緒自動放棄cpu,讓另外一個執行緒執行。

  執行緒通常是有益的,但是帶來了不小程式設計難度,執行緒的問題是:

  1. 父程序有多個執行緒,那麼開啟的子執行緒是否需要同樣多的執行緒

   如果是,那麼附近中某個執行緒被阻塞,那麼copy到子程序後,copy版的執行緒也要被阻塞嗎,想一想nginx的多執行緒模式接收使用者連線。

  2. 在同一個程序中,如果一個執行緒關閉了問題,而另外一個執行緒正準備往該檔案內寫內容呢?

          如果一個執行緒注意到沒有記憶體了,並開始分配更多的記憶體,在工作一半時,發生執行緒切換,新的執行緒也發現記憶體不夠用了,又開始分配更多的記憶體,這樣記憶體就被分配了多次,這些問題都是多執行緒程式設計的典型問題,需要仔細思考和設計。

七 POSIX執行緒(瞭解)

    為了實現可移植的執行緒程式,IEEE在IEEE標準1003.1c中定義了執行緒標準,它定義的執行緒包叫Pthread。大部分UNIX系統都支援該標準,簡單介紹如下

八 在使用者空間實現的執行緒(瞭解)

    執行緒的實現可以分為兩類:使用者級執行緒(User-Level Thread)和核心線執行緒(Kernel-Level Thread),後者又稱為核心支援的執行緒或輕量級程序。在多執行緒作業系統中,各個系統的實現方式並不相同,在有的系統中實現了使用者級執行緒,有的系統中實現了核心級執行緒。

    使用者級執行緒核心的切換由使用者態程式自己控制核心切換,不需要核心干涉,少了進出核心態的消耗,但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大體是這麼做的。

   在使用者空間模擬作業系統對程序的排程,來呼叫一個程序中的執行緒,每個程序中都會有一個執行時系統,用來排程執行緒。此時當該程序獲取cpu時,程序內再排程出一個執行緒去執行,同一時刻只有一個執行緒執行。

九 在核心空間實現的執行緒(瞭解)

    核心級執行緒:切換由核心控制,當執行緒進行切換的時候,由使用者態轉化為核心態。切換完畢要從核心態返回使用者態;可以很好的利用smp,即利用多核cpu。windows執行緒就是這樣的。

十 使用者級與核心級執行緒的對比(瞭解)

    一: 以下是使用者級執行緒和核心級執行緒的區別:

  1. 核心支援執行緒是OS核心可感知的,而使用者級執行緒是OS核心不可感知的。
  2. 使用者級執行緒的建立、撤消和排程不需要OS核心的支援,是在語言(如Java)這一級處理的;而核心支援執行緒的建立、撤消和排程都需OS核心提供支援,而且與程序的建立、撤消和排程大體是相同的。
  3. 使用者級執行緒執行系統呼叫指令時將導致其所屬程序被中斷,而核心支援執行緒執行系統呼叫指令時,只導致該執行緒被中斷。
  4. 在只有使用者級執行緒的系統內,CPU排程還是以程序為單位,處於執行狀態的程序中的多個執行緒,由使用者程式控制執行緒的輪換執行;在有核心支援執行緒的系統內,CPU排程則以執行緒為單位,由OS的執行緒排程程式負責執行緒的排程。
  5. 使用者級執行緒的程式實體是執行在使用者態下的程式,而核心支援執行緒的程式實體則是可以執行在任何狀態下的程式。

    二: 核心執行緒的優缺點

  優點:

  1. 當有多個處理機時,一個程序的多個執行緒可以同時執行。

  缺點:

  1. 由核心進行排程。

    三: 使用者程序的優缺點

  優點:

  1. 執行緒的排程不需要核心直接參與,控制簡單。
  2. 可以在不支援執行緒的作業系統中實現。
  3. 建立和銷燬執行緒、執行緒切換代價等執行緒管理的代價比核心執行緒少得多。
  4. 允許每個程序定製自己的排程演算法,執行緒管理比較靈活。
  5. 執行緒能夠利用的表空間和堆疊空間比核心級執行緒多。
  6. 同一程序中只能同時有一個執行緒在執行,如果有一個執行緒使用了系統呼叫而阻塞,那麼整個程序都會被掛起。另外,頁面失效也會產生同樣的問題。

  缺點:

  1. 資源排程按照程序進行,多個處理機下,同一個程序中的執行緒只能在同一個處理機下分時複用

十一 混合實現(瞭解)

  使用者級與核心級的多路複用,核心同一排程核心執行緒,每個核心執行緒對應n個使用者執行緒

十二 執行緒小故事

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