Linux系统编程 第4章学习笔记
并发编程
并行计算导论
顺序算法与并行算法：
并行性与并发性：
通常，并行算法只识别可并行执行的任务，但是它没有规定如何将任务映射到处理组件。在理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行。然而，真正的并行执行只能在有多个处理组件的系统中实现，比如多处理器或多核系统。在单CPU系统中，一次只能执行一个任务。在这种情况下，不同的任务只能并发执行，即在逻辑上并行执行。在单CPU系统中，并发性是通过多任务处理来实现的
线程
线程的原理
1、线程的定义
线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行；
进程要想执行任务，必须得有线程，进程至少要有一条线程；
程序启动会默认开启一条线程，这条线程被称为主线程或UI线程；
2、进程的定义
进程是指在系统中正在运行的一个应用程序； 每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存；
3、进程与线程的关系
l 地址空间：同一进程的线程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间；
l 资源拥有：同一进程内的线程共享本进程的资源；如内存、I/O、CPU等，但是进程之间的资源是独立的；
l 健壮性：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃，整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮；
l 进程切换时，消耗的资源大，效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果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；
l 执行过程：每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制；
l 线程是处理器调度的基本单位，但进程不是；
线程的优点
① 线程创建和切换速度更快
② 线程的响应速度更快
③ 线程更适合并行计算
线程的缺点
① 由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步。
② 许多库函数可能对线程不安全，例如传统strtok()函数将一个字符串分成一连串令牌。通常任何使用全局变量或依赖于静态内存内容的函数.线程都不安全。为了使库函数 适应线程环境，还需要做大量的工作。
③ 在单CPU系统上，使用线程解决问题实际上要比使用顺序程序慢，这是由在运行 时创建线程和切换上下文的系统开销造成的。
线程操作
线程的执行轨迹与进程类似。线程可在内核模式或用户模式下执行在用户模式下,线程在进程的相同地址空间中执行，但每个线程都有自己的执行堆栈。线程是独立的执行单元，可根据操作系统内核的调度策略，对内核进行系统调用，变为挂起、激活以继续执行等。为了利用线程的共享地址空间，操作系统内核的调度策略可能会优先选择同一进程中的线程，而不是不同进程中的线程。
线程管理函数
Pthread库提供了用于线程管理的以下API。
创建线程
使用pthread_create()函数创建线程。
线程ID
int pthread_equal (pthread_t tl, pthread_t t2);
如果是不同的线程，则返回0,否则返回非0。
线程终止
int pthread_exit (void *status);
线程连接
int pthread_join (pthread_t thread, void **status_ptr);
线程示例程序
线程同步
由于线程在进程的同一地址空间中执行，它们共享同一地址空间中的所有全局变量和数据结构。当多个线程试图修改同一共享变量或数据结构时，如果修改结果取决于线程的执行顺序，则称之为竞态条件。在并发程序中，绝不能有竞态条件。否则，结果可能不一致。除了连接操作之外，并发执行的线程通常需要相互协作。为了防止出现竞态条件并且支持线程协作，线程需要同步。通常，同步是一种机制和规则，用于确保共享数据对象的完整性和并发执行实体的协调性。
互斥量
最简单的同步工具是锁，它允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行,在Pthread 中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。
死锁预防
互斥量使用封锁协议。如果某线程不能获取互斥量，就会被阻塞，等待互斥量解锁后再继续。在任何封锁协议中，误用加锁可能会产生一些问题。最常见和突出的问题是死锁。死锁是一种状态，在这种状态下，许多执行实体相互等待，因此都无法继续下去。例如：
在这种情况下，T1和T2将永远相互等待，由于交叉加锁请求，它们处于死锁状态。与竞态条件类似，死锁决不能存在于并发程序中。有多种方法可以解决可能的死锁问题，其中包括死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。在实际系统中，唯一可行的方法是死锁预防，试图在设计并行算法时防止死锁的发生。一种简单的死锁预防方法是对互斥量进行排序，并确保每个线程只在一个方向请求互斥量，这样请求序列中就不会有循环。
但是，仅使用单向加锁请求来设计每个并行算法是不可能的。在这种情况下，可以使用条件加锁函数pthread_mutex_trylock()来预防死锁。如果互斥量已被加锁，则trylock()函数 会立即返回一个错误。在这种情况下，调用线程可能会释放它已经获取的一些互斥量以便进行退避，从而让其他线程继续执行。
条件变量
作为锁，互斥量仅用于确保线程只能互斥地访问临界区中的共享数据对象。条件变量提供了一种线程协作的方法。条件变量总是与互斥量一起使用。这并不奇怪，因为互斥是所有同步机制的基础。在Pthread中，使用类型pthread_cond_t来声明条件变量，而且必须在使用前进行初始化。
信号量
信号量是进程同步的一般机制。(计数)信号量是一种数据结构。
屏障
线程连接操作允许某线程(通常是主线程)等待其他线程终止。在等待的所有线程都终止后，主线程可创建新线程来继续执行并行程序的其余部分。创建新线程需要系统开销。在某些情况下，保持线程活动会更好，但应要求它们在所有线程都达到指定同步点之前不能继续活动。在Pthreads中，可以采用的机制是屏障以及一系列屏障函数。
