Linux操作系统-(3) 线程

3. 线程

线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

3.1 线程与进程的区别联系

进程：进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。（包括程序段，相关数据段，和进程控制块PCB）
线程： 线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源.

关系：一个线程可以创建和撤销另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行.相对进程而言，线程是一个更加接近于执行体的概念，它可以与同进程中的其他线程共享数据，但拥有自己的栈空间，拥有独立的执行序列。
区别：主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。
优缺点：线程和进程在使用上各有优缺点：线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。同时，线程适合于在SMP机器上运行，而进程则可以跨机器迁移。

程序、线程、进程的区别：

程序：计算机指令的集合，它以文件的形式存储在磁盘上。程序是静态实体（passive Entity），在多道程序系统中，它是不能独立运行的，更不能与其他程序并发执行。
使用系统资源情况：不使用（程序不能申请系统资源，不能被系统调度，也不能作为独立运行的单位，它不占用系统的运行资源）。
进程：进程是进程实体（包括：程序段、相关的数据段、进程控制块PCB）的运行过程，是一个程序在其自身的地址空间中的一次执行活动。是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
使用系统资源情况：使用（进程是资源申请、调度和独立运行的单位，因此，它使用系统中的运行资源）

3.2 线程通信（同步）

3.2.1 主要任务

在引入多线程后，由于线程执行的异步性，会给系统造成混乱，特别是在急用临界资源时，如多个线程急用同一台打印机，会使打印结果交织在一起，难于区分。当多个线程急用共享变量，表格，链表时，可能会导致数据处理出错，因此线程同步的主要任务是使并发执行的各线程之间能够有效的共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

3.2.2 制约关系

当线程并发执行时，由于资源共享和线程协作，使用线程之间会存在以下两种制约关系。

间接相互制约。一个系统中的多个线程必然要共享某种系统资源，如共享CPU，共享I/O设备，所谓间接相互制约即源于这种资源共享，打印机就是最好的例子，线程A在使用打印机时，其它线程都要等待。
直接相互制约。这种制约主要是因为线程之间的合作，如有线程A将计算结果提供给线程B作进一步处理，那么线程B在线程A将数据送达之前都将处于阻塞状态。

间接相互制约可以称为互斥，直接相互制约可以称为同步，对于互斥可以这样理解，线程A和线程B互斥访问某个资源则它们之间就会产个顺序问题——要么线程A等待线程B操作完毕，要么线程B等待线程A操作完毕，这其实就是线程的同步了。因此同步包括互斥，互斥其实是一种特殊的同步。

3.2.3 线程通信（同步）

Linux系统中的线程通信（同步）方式主要以下几种:

1. 锁机制：包括互斥锁、自旋锁、条件变量、读写锁

互斥锁（量）：本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行设置（加锁），在访问完成后释放（解锁）互斥量。对互斥量加锁后，任何其他试图再对互斥量加锁的线程都会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。只有拥有互斥对象的线程才有权去访问系统的公共资源，因为互斥对象只有一个，所以能够保证资源不会同时被多个线程访问。
自旋锁：自旋锁它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。
读写锁：读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。读写锁有三种状态：读模式下的加锁，写模式下的加锁，不加锁。只要没有写模式下的加锁，任意线程都可以进行读模式下的加锁；只有读写锁处于不加锁状态时，才能进行写模式下的加锁；读写锁也称为共享-独占（shared-exclusive）锁，当读写锁以读模式加锁时，它是以共享模式锁住，当以写模式加锁时，它是以独占模式锁住。读写锁非常适合读数据的频率远大于写数据的频率从的应用中。
条件变量：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。

**2. 信号量机制(Semaphore)**：包括无名线程信号量和命名线程信号量

信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。最简单的信号量是只能取0和1的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二进制信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。这里主要讨论二进制信号量。

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：
P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行
V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

**3. 信号机制(Signal)**：类似进程间的信号处理

windows下线程通信还包括：临界区、事件

临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）（临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源）。每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入
事件：用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

临界区和互斥量与信号量的区别在于，互斥量和信号量在系统中任何进程里都是可见的，也就是说，一个进程创建了一个互斥量或信号量，另一个进程试图去获取该锁是合法的。然而，临界区的作用范围仅限于本进程，其他的进程无法获取该锁。

拓展：分布式锁

分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。在分布式系统中，常常需要协调他们的动作。如果不同的系统或是同一个系统的不同主机之间共享了一个或一组资源，那么访问这些资源的时候，往往需要互斥来防止彼此干扰来保证一致性，在这种情况下，便需要使用到分布式锁。简单的理解就是：分布式锁是一个在很多环境中非常有用的原语，它是不同的系统或是同一个系统的不同主机之间互斥操作共享资源的有效方法。

在很多互联网产品应用中，有些场景需要加锁处理，比如：秒杀，全局递增ID，楼层生成等等。大部分是解决方案基于DB实现的，Redis为单进程单线程模式，采用队列模式将并发访问变成串行访问，且多客户端对Redis的连接并不存在竞争关系。

3.3 内核线程和用户线程

根据对操作系统内核是否对线程感知，可以把线程分为内核线程和用户线程。

内核线程只运行在内核态，不受用户态上下文的拖累。

处理器竞争：可以在全系统范围内竞争处理器资源；
使用资源：唯一使用的资源是内核栈和上下文切换时保持寄存器的空间
调度：调度的开销可能和进程自身差不多昂贵
同步效率：资源的同步和数据共享比整个进程的数据同步和共享要低一些。

用户线程是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的创建、调度、同步和销毁全又库函数在用户空间完成，不需要内核的帮助。因此这种线程是极其低消耗和高效的。

处理器竞争：单纯的用户线程是建立在用户空间，其对内核是透明的，因此其所属进程单独参与处理器的竞争，而进程的所有线程参与竞争该进程的资源。
使用资源：与所属进程共享进程地址空间和系统资源。
调度：由在用户空间实现的线程库，在所属进程内进行调度

3.4 原子操作及其实现

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。

实现过程：

 原子操作() {
  开始原子操作();
  操作;
  结束原子操作();
}

具体来讲：

开始原子操作() {
 1 检查中断是否允许
    {
         获取EFLAGS寄存器值查看中断位值判断是否允许 为1是开中断 0为关中断；
    }
 2 允许的话关闭中断 
    {
        cli;
    }
}

以及

结束原子操作(
// 确保当前中断是关的。
// 需要有调用前中断的开关状态，如果是开的需要重新打开
)

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