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Chap 4 | Threads

章节启示录

本章节是OS的第四章。

引入进程的目的是更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量；而引入线程的目的则是减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

线程最直接的理解是“轻量级进程”，是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元，由 线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈 组成

在多线程进程中，需要寄存器和栈为每一个线程进维护。

Benefits：
1. 响应性：交互式应用程序。
2. 资源共享：用于代码和数据的内存可以共享。
3. 经济：创建进程更昂贵（需要分配资源），而创建线程能节约资源。
4. MP架构的利用：多线程提高了并发性。

线程的实现可以分为两类：用户级线程和内核级线程。

用户级线程：“从用户视角能看到的线程”，有关线程管理的所有工作都由应用程序在用户空间内完成，内核意识不到线程的存在。
- 优点:
  1. 线程切换不需要转换到内核空间，节省开销
  2. 调度算法可以是某个进程专用的，各个进程可针对自身情况选择合适的调度算法
  3. 与操作系统平台无关，对线程管理的代码属于用户程序的一部分
内核级线程：在内核的支持下运行，线程管理的所有工作在内核空间内实现。
- 优点:
  1. 能发挥多CPU的优势
  2. 如果进程中的一个线程被阻塞，内核可以调度该进程中的其他线程占用CPU，也可以运行其他进程中的线程
  3. 内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程切换快、开销小
  4. 内核本身也可采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率

ULT(user态中) VS. KLT(kernel态中)

1.Multithreading Models¶

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由于用户级线程和内核级线程连接方式不同，形成了以下三种不同的多线程模型：

线程管理是有效的，但是如果进行系统调用会阻塞，内核一次只能调度一个线程

一个例子🌰

班级内部选一个成员佩戴号码簿，kernel根据号码簿调度场上运动员

更高的并发性，但创建线程的成本很高

一个例子🌰

kernel根据号码簿调度场上运动员，一个班可以有多个运动员在跑

灵活的

一个例子🌰

班级内部指定号码簿给谁戴，kernel根据号码簿调度场上运动员

fork()只复制调用线程还是复制所有线程?
1. 一些unix系统有两个版本的fork()，一个复制所有线程，另一个复制调用fork()的线程。
2. Exec()将替换整个进程。
Thread Cancellation:在线程完成之前终止它,两种一般方法:
1. Asynchronous cancellation(异步取消):立即终止目标线程。可能导致泄露和不一致
2. Deferred cancellation(延迟取消):允许目标线程通过标志定期检查是否应该取消。
Signal Handling
- 在UNIX系统中，信号用于通知进程某个特定事件已经发生
- 信号处理程序用于处理同步或异步信号:
  1. 信号是由特定事件产生的
  2. 信号被传送到一个进程
  3. 信号被处理
- Options:(传送方式依讯号类型而定)
  1. 将信号传递给应用该信号的线程
  2. 将信号传递给进程中的每个线程
  3. 将信号传递给进程中的某些线程
  4. 指定一个特定的线程来接收进程的所有信号
Thread Pools：在一个线程池中创建一些等待工作的线程
- 优点:
  1. 使用现有线程处理请求通常比创建新线程快一些
  2. 允许将应用程序中的线程数绑定到池的大小
Thread Specific Data(TLS)
1. 允许每个线程拥有自己的数据副本
2. 在某些方面类似于静态数据，但对每个线程都是唯一的
3. 当无法控制线程创建过程时(例如使用线程池时)非常有用。