操作系统核心原理-4.线程原理（上）：线程基础与线程同步

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前言

我们都知道，进程是运转中的程序，是为了在CPU上实现多道编程而发明的一个概念。但是进程在一个时间只能干一件事情，如果想要同时干两件或者多件事情，例如同时看两场电影，我们自然会想到传说中的分身术，就像孙悟空那样可以变出多个真身。虽然我们在现实中无法分身，但进程却可以办到，办法就是线程。线程就是我们为了让一个进程能够同时干多件事情而发明的“分身术”。

一、线程基础

1. 线程概念

线程是进程的“分身”，是进程里的一个执行上下文或执行序列。of course,一个进程可以同时拥有多个执行序列。这就像舞台，舞台上可以有多个演员同时出场，而这些演员和舞台就构成了一出戏。类比进程和线程，每个演员是一个线程，舞台是地址空间，这样同一个地址空间中的所有线程就构成了进程。

在线程模式下，一个进程至少有一个线程，也可以有多个线程，如下图所示：

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将进程分解为线程可以有效地利用多处理器和多核计算机。例如，当我们使用Microsoft Word时，实际上是打开了多个线程。这些线程一个负责显示，一个负责接收输入，一个定时进行存盘…这些线程一起运转，让我们感觉到输入和显示同时发生，而不用键入一些字符等待一会儿才显示到屏幕上。在不经意间，Word还能定期自动保存。

2 线程管理

线程管理与进程管理类似，需要一定的基础：维持线程的各种信息，这些信息包含了线程的各种关键资料。于是，就有了线程控制块。

由于线程间共享一个进程空间，因此，许多资源是共享的（这部分资源不需要存放在线程控制块中）。但又因为线程是不同的执行序列，总会有些不能共享的资源。一般情况下，统一进程内的线程间共享和独享资源的划分如下表所示：

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3 线程模型

现代操作系统结合了用户态和内核态的线程模型，其中用户态的执行系统负责进程内部在非阻塞时的切换，而内核态的操作系统则负责阻塞线程的切换，即同时实现内核态和用户态线程管理。其中，内核态线程数量极少，而用户态线程数量较多。每个内核态线程可以服务一个或多个用户态线程。换句话说，用户态线程会被多路复用到内核态线程上。

4 多线程的关系

推出线程模型的目的就是实现进程级并发，因为在一个进程中通常会出现多个线程。多个线程共享一个舞台，时而交互，时而独舞。但是，共享一个舞台会带来不必要的麻烦，这些麻烦归结到下面两个根本问题：

  • 线程之间如何通信？
  • 线程之间如何同步？

上述两个问题在进程层面同样存在，在前面的进程原理部分已经进行了介绍，从一个更高的层次上看，不同的进程也共享着一个巨大的空间，这个空间就是整个计算机。

二、线程同步

1 同步的原因和目的

  • 原因：线程之间的关系是合作关系，既然是合作，那么久得有某种约定的规则，否则合作就会出问题。例如下图中，一个进程的两个线程因为操作不同步而造成线程1运行错误：

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    出现上述问题原因在于两点：一是线程之间共享的全局变量；二是线程之间的相对执行顺序是不确定的。针对第一点，如果所有资源都不共享，那就违背了进程和线程设计的初衷：资源共享、提高资源利用率。针对第二点，需要让线程之间的相对执行顺序在需要的时候可以确定。

  • 目的：线程同步的目的就在于不管线程之间的执行如何穿插，其运行结果都是正确的。换句话说，就是要保证多线程执行下结果的确定性。与此同时，也要保持对线程执行的限制越少越少。

2 线程同步必知概念

  • 竞争：两个或多个线程争相执行同一段代码或访问同一资源的现象
  • 临界区：可能造成竞争的共享代码段或资源
  • 互斥：在任何时刻都能有一个线程在临界区中的现象(一次只有一个人使用共享资源，其他人皆排除在外)

3 线程同步方式：

  1. 锁：操作系统中，保证互斥的同步机制就被称为锁

    锁有两个基本操作：闭锁和开锁。很容易理解，闭锁就是将锁锁上，其他人进不来；开锁就是你做的事情做完了，将锁打开，别的人可以进去了。开锁只有一个步骤那就是打开锁，而闭锁有两个步骤：一是等待锁达到打开状态，二是获得锁并锁上。显然，闭锁的两个操作应该是原子操作，不能分开。

    睡觉与叫醒：当对方持有锁时，你就不需要等待锁变为打开状态，而是去睡觉，锁打开后对方再来把你叫醒，这是一种典型的生产者消费者模式。用计算机来模拟生产者消费者并不难：一个进程代表生产者，一个进程代表消费者，一片内存缓冲区代表商店。生产者将生产的物品从一端放入缓冲区，消费者则从另外一端获取物品，如下图所示：

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    例如，在.NET中可以通过Monitor.Wait()与Monitor.Pulse()来进行睡觉和叫醒操作：

    首先是消费者线程

    public void ConsumerDo(){
    while (true){
        lock(sync){
            // Step1:做一些消费的事情
            ......
            // Step2:唤醒生产者线程
            Monitor.Pulse(sync);
            // Step3:释放锁并阻止消费者线程
            Monitor.Wait(sync);
        }
    }
}

    其次是生产者线程

    public void ProducerDo(){
    while (true){
        lock(sync){
            // Step1:做一些生产操作
            ......
            // Step2:唤醒消费者线程
            Monitor.Pulse(Dog.lockCommunicate);
            // Step3:释放锁并阻止生产者线程
            Monitor.Wait(Dog.lockCommunicate);
        }
    }
}

    但是，在此种情形下，生产者和消费者都有可能进入睡觉状态，从而无法相互叫醒对方而继续往前推进，也就发生了系统死锁。如何解决？我们可以用某种方法将发出的信号累积起来，而不是丢掉。即消费者获得CPU执行sleep语句后，生产者在这之前发送的叫醒信号还保留，因此消费者将马上获得这个信号而醒过来。而能够将信号累积起来的操作系统原语就是信号量。

  2. 信号量：是一个计数器，其取值为当前累积的信号数量

    它支持两个操作：加法操作up和减法操作down。执行down减法操作时，请求该信号量的一个线程会被挂起；而执行up加法操作时，会叫醒一个在该信号量上面等待的线程。down和up操作在历史上被称为P和V操作，是操作系统中最重要的同步原语的两个基本操作。

    有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法就叫做"信号量"，用来保证多个线程不会互相冲突。

    例如，在.NET中提供了一个Semaphore类来进行信号量操作，下面的示例代码演示了4条线程想要同时执行ThreadEntry()方法，但同时只允许2条线程进入：

    class Program{
        //第一个参数指定当前有多少个“空位”(允许多少条线程进入)
        //第二个参数指定一共有多少个“座位”(最多允许多少个线程同时进入)
        static Semaphore sem = new Semaphore(2, 2);
        const int threadSize = 4;

        static void Main(string[] args){
            for (int i = 0; i < threadSize; i++){
                Thread thread = new Thread(ThreadEntry);
                thread.Start(i + 1);
            }
            Console.ReadKey();
        }

        static void ThreadEntry(object id){
            Console.WriteLine("线程{0}申请进入本方法", id);
            // WaitOne:如果还有“空位”，则占位，如果没有空位，则等待；
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("线程{0}成功进入本方法", id);
            // 模拟线程执行了一些操作
            Thread.Sleep(100);
            Console.WriteLine("线程{0}执行完毕离开了", id);
            // Release:释放一个“空位”
            sem.Release();
        }
    }

    如果将资源比作“座位”，Semaphore接收的两个参数中：第一个参数指定当前有多少个“空位”（允许多少条线程进入），第二个参数则指定一共有多少个“座位”（最多允许多少个线程同时进入）。WaitOne()方法则表示如果还有“空位”，则占位，如果没有空位，则等待；Release()方法则表示释放一个“空位”。

    不难看出，mutex互斥锁是semaphore信号量的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。

    但是，如果生产者或消费者将两个up/down操作顺序颠倒，也同样会产生死锁。也就是说，使用信号量原语时，信号量操作的顺序至关重要。那么，有木有办法改变这种情况，可不可将信号量的这些组织工作交给一个专门的构造来负责，解放广大程序员？答案是管程。

  3. 管程(Monitor)：即监视器的意思，它监视的就是进程或线程的同步操作

    具体来说，管程就是一组子程序、变量和数据结构的组合。言下之意，把需要同步的代码用一个管程的构造框起来，即将需要保护的代码置于begin monitor和end monitor之间，即可获得同步保护，也就是任何时候只能有一个线程活跃在管程里面。

    同步操作的保证是由编译器来执行的，编译器在看到begin monitor和end monitor时就知道其中的代码需要同步保护，在翻译成低级代码时就会将需要的操作系统原语加上，使得两个线程不能同时活跃在同一个管程内。

    例如，在.NET中提供了一个Monitor类，它可以帮我们实现互斥的效果：

    private object locker = new object();
public void Work(){
    // 避免直接使用私有成员locker（直接使用有可能会导致线程不安全）
    object temp = locker;
    Monitor.Enter(temp);
    try{
      	// 做一些需要线程同步的工作
        }finally{
            Monitor.Exit(temp);
        }
    }

    在管程中使用两种同步机制：锁用来进行互斥，条件变量用来控制执行顺序。从某种意义上来说，管程就是锁+条件变量。

    About：条件变量就是线程可以在上面等待的东西，而另外一个线程则可以通过发送信号将在条件变量上的线程叫醒。因此，条件变量有点像信号量，但又不是信号量，因为不能对其进行up和down操作。

    管程最大的问题就是对编译器的依赖，因为我们需要将编译器需要的同步原语加在管程的开始和结尾。此外，管程只能在单台计算机上发挥作用，如果想在多计算机环境下进行同步，那就需要其他机制了，而这种其他机制就是消息传递。

  4. 消息传递：消息传递是通过同步双方经过互相收发消息来实现

    它有两个基本操作：发送send和接收receive。他们均是操作系统的系统调用，而且既可以是阻塞调用，也可以是非阻塞调用。而同步需要的是阻塞调用，即如果一个线程执行receive操作，就必须等待受到消息后才能返回。也就是说，如果调用receive，则该线程将挂起，在收到消息后，才能转入就绪。

    消息传递最大的问题就是消息丢失和身份识别。由于网络的不可靠性，消息在网络间传输时丢失的可能性较大。而身份识别是指如何确定收到的消息就是从目标源发出的。其中，消息丢失可以通过使用TCP协议减少丢失，但也不是100%可靠。身份识别问题则可以使用诸如数字签名和加密技术来弥补。

  5. 栅栏：顾名思义就是一个障碍，到达栅栏的线程必须停止下来，知道出去栅栏后才能往前推进

    该院与主要用来对一组线程进行协调，因为有时候一组线程协同完成一个问题，所以需要所有线程都到同一个地方汇合之后一起再向前推进。

    例如，在并行计算时就会遇到这种需求，如下图所示：

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    (转至：https://www.cnblogs.com/edisonchou/p/5037403.html ，感谢博主的总结归纳和分享)

posted @ 2019-05-06 17:32  南山道士  阅读(77)  评论(0)  编辑  收藏  举报