《操作系统》课程笔记（Ch04-多线程编程）

基本概念

多线程进程与多线程服务器示意图

并行与并发

• 并行系统：同时执行多个任务

• 并发系统：支持多个任务，允许所有任务都能取得进展

  没有并行，并发也是可能的

Amdahl定律

并行化加速比：speedup；N：任务数；S：串行比例

\(speedup \leq \frac{1}{S+\frac{1-S}{N}}\)

当N趋于无穷大时，加速比收敛到\(1/S\)。

并行的两种类型

并行应用程序通常混合使用这两种策略。

• 数据并行
• 任务并行

多线程模型

用户线程和内核线程

• 用户线程：暴露给用户，工作在用户层
• 内核线程：工作在内核层，操作系统管理

多线程模型在这两种线程之间建立联系。

多对一模型

多个用户线程映射到一个内核线程，任一时间只有一个线程可以访问内核。显然这种实现不能用于多核系统。

一对一模型

一个用户线程映射到一个内核线程。提供了比多对一模型更好的并发功能。缺点是创建内核线程的开销影响性能。

多对多模型

多个用户线程映射到多个内核线程（≤用户线程）。允许创建多个用户线程，且相应内核进程能支持多处理器系统。某个线程阻塞时，内核可以调度另一个线程执行。

双层模型

多对多的变种，融合了多对多模型与一对一模型。

* 线程库

操作系统提供给程序员的创建和管理线程的API。

• Pthreads

  使用pthread_join()等待线程结束

• Windows线程

• Java

* 隐式多线程

将多线程的创建和管理交给编译器和运行时库完成。

线程池

在进程开始时创建一定数量的进程，加到线程池中等待工作。当服务器收到请求时，唤醒池中的一个线程（如果有可用的），并完成服务，然后线程归还到池中再等待工作。

优点：不需要反复创建线程；限制了可用进程的数量；更灵活的任务执行机制

OpenMP

提供了一组编译指令和API。

大中央调度GCD

一组扩展，允许程序员将某些代码区段并行运行。

多线程的问题

fork与exec的语义

程序的某个线程调用了fork，新进程要不要复制所有线程，还是仅复制该调用线程？

通常策略：如果fork后立即exec，则不用复制所有线程，因为exec的程序会替换整个进程；否则复制所有线程比较合适。

信号处理

UNIX信号：用于通知进程某个特定事件已经发生。

多线程下的信号应该被传递到哪里？

• 信号所适用的线程
• 所有线程
• 某些线程
• 一个特定线程统一处理所有信号

线程撤销

指在线程完成之前终止线程。

• 异步撤销：一个线程立即终止目标线程
• 延迟撤销：目标线程不断检查它是否应终止

线程本地存储

每个线程可能需要存储自己的某些数据（TLS）。与局部变量不同，局部变量只在单个函数调用时可见，TLS数据在多个函数调用时都可见。

调度程序激活

操作系统在实现多对多或双层模型时候，在用户和内核线程之间增加一个中间数据结构：轻量级进程LWP。