并行计算与多核程序设计_陈天洲_线程的基本概念

1、第三章线程的基本概念-web 课件返回多线程的概念线程（thread）是进程上下文（contex）中执行的代码序列，又被称为轻量级进程（light weight process），是操作系统中比进程更小的可执行单元。单统程进程和多携程的进程在支持多线程的系统中，进程成为资源分配和保护的实体，而线程是被调度执行的基本单元。 进程的资源包括进程的地址空间，打开的文件和I/O等资源。属于同一个进程的线程共享该进程的 代码段和数据段，打开的文件，信号等。除了共享资源，每个线程还包含各自的线程ID，线程执行 状态，CPU寄存器状态和栈。多线程机制的优点包括以下几个方面：创建一个线程比创建一个进程的代价要

2、小。由于线程共享进程的资源，所以进程被创建时不 需要再分配内存空间等资源，因而创建线程所需的时间也更少。线程的切换比进程间的切换代价小。线程作为执行单元，当从同一进程的一个线程切换到另 一线程时，需要载入的信息比进程切换时要少，所以切换速度更快。充分利用多处理器。同一进程的线程可以在多个处理器并行运行，该进程的运行速度可以显 著提高，而单线程的进程却只能在一个处理器上运行，不能充分利用多个处理器。数据共享。对于同一进程的线程来说，他们共享同一块地址空间，可以访问相同的数据。数据共享使得线程之间的通信比进程间的通信更高效，更容易。快速响应特性。对于交互程序来说，多线程设计的优势是，当执行一些耗时

3、或者可能被阻塞 的操作时，其他部分仍然保持运行和响应。另外多线程编程可以使程序更加模块化，简化程序逻辑。用户级线程用户级线程库是用于用户级线程管理的例程包，支持线程的创建、终止，以及调度线程的执行 并保存和恢复线程的上下文，这些操作都在用户空间进行，无需内核的支持，所以用户级线程的创 建和管理等操作更快。对于那些内核本身不支持多线程的操作系统，通过用户级线程库可以使用户 获得多线程编程的好处。内核仍然以进程为单位进行调度，当内核调度一个进程运行时，用户级线程库调度该进程的一 个线程执行，如果时间片允许，进程的其他线程也可能被执行，该进程的多个线程共享该进程的运 行时间片，因而用户级线程的并行性

4、会受到一定的限制。内核级线程内核级线程的所有管理操作都是由操作系统内核完成的。内核保存线程的状态和上下文信息， 当一个线程执行了引起阻塞的系统调用时，内核可以调度该进程的其他线程执行。在多处理器系统 上，内核可以分派属于同一进程的多个线程在多个处理器上运行，提高进程执行的并行度。由于需要内核完成线程的创建，调度和管理，所以和用户级线程相比这些操作要慢的多，但是 仍然比进程的创建和管理操作要快。多线程的映射模型对于实现了用户级线程和内核级线程的操作系统，用户级线程和内核级线程之间的可以有不同 的映射方式。多对一模型：多对一模型把多个用户级线程映射到一个内核级线程。线程的管理在用户空间实 现，所以

5、效率高。当一个线程因调用系统调用被阻塞时，整个进程被阻塞。另外，用户级线程线程 不能在多处理器上并发执行。不支持内核级线程的操作系统使用多对一模型。一对一模型：一对一模型把每个用户级线程影射到一个内核级线程。该模型允许进程的多个进 程再多处理器上并行运行，当一个线程阻塞时，其他线程仍然可以运行。该模型的缺点是当创建一 个用户线程时，需要创建对应得内核级线程。由于内核资源的有限性，系统能够通常会限制系统中 线程的数目。多对多模型：多对多模型将m个用户级线程影射到n个内核级线程，mn。内核级线程的数目 依据应用程序的类型（要求高并发）、机器体系结构（多处理器或单处理器）或者当前系统资源的 约束来确

6、定。虽然多对一模型对创建用户级线程的数目没有限制，但这些线程在同一时刻只能有一 个被执行。一对一模型可以获得高并发性，但因耗费资源而线程数会受到限制。多对多模型具有多对一和一对一两种模型的优势，用户可以创建所需要的用户级线程，通过分配适当数目的内核级线 程获得并发执行的优势并节省系统资源。多对多映射多线程编程的个问题：1）需要重复创建和销毁线程，比如一个网络服务器根据用户的请求不断 地创建线程，然后销毁线程，长时间重复这一过程要耗费大量的处理器时间；2）如果为每个请求建 立一个线程而对线程数目没有限制的话，大量创建的线程可能会耗尽系统资源。线程池是一组被创建的线程的集合，当一个进程需要线程时，

7、如果线程池中还有可用的线程， 就从中取出一个投入使用。当线程池中没有可用的线程时，创建线程的请求必须等待，保护系统资 源不被耗尽。线程池中的线程数目可以依据系统的内存，处理器数目，要处理的任务的数目来确定， 或者动态地依据系统当前的资源和系统负载进行调整。线程的生命周期1、线程的标识通常用一个整数来标识一个线程，在pthread线程库中，以pthread_t类型来标识一个线程。通过 该ID程序可以引用一个线程，一个线程可以通过pthread_self来获得自己的线程ID。虽然该数据类 型的原型可能是unsigned long int，但是为了保持可移植性应当使用系统定义的数据类型，而避免直 接

8、使用 int 或 unsigned into2、线程的创建在c程序中运行时，首先运行的是从main函数开始的线程，该线程被称为初始线程或主线程。 在pthread线程库中，调用pthread_create创建一个新的线程，并指定启动函数作为线程开始执行的起点。3、线程的终止当线程的启动函数执行完毕，或者调用了 pthread_exit都可导致线程终止。由于主线程退出时整 个进程会终止，进程中的其他线程也会被终止，所以主线程一般会等待其他线程退出后再结束。4、线程的状态线程有四个基本的状态：就绪（ready）:线程等待可用的处理器。运行（running）:线程正在被执行。阻塞（blocked）:

9、线程正在等待某个事件的发生（比如I/O的完成，试图加锁一个被上锁的互 斥量）。终止（terminated）:线程从起始函数中返回或者调用pthread_exit。线程在任何时刻会处于上述四个状态之一，线程状态之间的转换：线程状态的转换多线程环境下的进程控制语义1、进程创建当进程的一个线程中创建一个子进程，不同的系统的实现不同，一种被称为单线程复制，另一 种被称为多线程复制。pthread标准要求只有父进程中调用fork的线程出现在子进程中。2、执行新的程序在进程中执行新的程序，函数的语意在多线程环境下没有发生大的变化。exec将会终止所有的 线程，用新的程序覆盖进程的地址空间，并开始执行新的程序。3、进程结束在任何一个线程中调用exit将会结束整个进程的。另外从主线程返回也等同于调用exit而导致 进程结束。