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第十一讲线程与协程

第一节线程

向勇陈渝李国良任炬

2024年春季

课程幻灯片列表

提纲

1. 为何需要线程？

线程的概念
使用线程
线程的设计实现

进程存在的不足

进程之间地址空间隔离
通过IPC共享/交换数据不方便
管理进程开销大
创建/删除/切换
并行/并发处理困难

进程存在的不足

进程之间地址空间隔离
通过IPC共享/交换数据不方便
管理进程开销大
创建/删除/切换
并行/并发处理困难

为何需要线程？

在应用中可能同时发生多种活动，且某些活动会被阻塞
将程序分解成可并行运行的多个顺序控制流
- 可提高执行效率
- 程序设计模型也会变得更简单

为何需要线程？

永远存在的用户需求 -- 性能！

并行实体（多个顺序控制流）共享同一个地址空间和所有可用数据
访问数据和共享资源方便
切换控制流轻量
管理不同控制流便捷

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线程 vs 进程

进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；
进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
线程能减少并发执行的时间和空间开销；

线程 vs 进程

一个进程中可以同时存在多个线程；
各个线程之间可以并发执行；
各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；
当进程中的一个线程崩溃时，会导致其所属进程的所有线程崩溃（这里是针对 C/C++ 语言，Java语言中的线程崩溃不会造成进程崩溃）。

提纲

为何需要线程？

2. 线程的概念

使用线程
线程的设计实现

2.1 线程的定义

2.2 线程管理

线程的定义

线程是进程的一部分，描述指令流执行状态。它是进程中的指令执行流的基本单元，是CPU调度的基本单位。

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进程和线程的角色

进程的资源分配角色
- 进程由一组相关资源构成，包括地址空间（代码段、数据段）、打开的文件等各种资源
线程的处理机调度角色
- 线程描述在进程资源环境中的指令流执行状态

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不同操作系统对线程的支持

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进程和线程的关系

进程 = 线程 + 共享资源

一个进程中可存在多个线程
线程共享进程的地址空间
线程共享进程的资源
线程崩溃会导致进程崩溃

线程是一个调度实体 Scheduling Entry User-SE v.s. Kernel-SE

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线程与进程的比较

进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位
进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享指令流执行的必要资源，如寄存器和栈
线程具有就绪、等待和运行三种基本状态和状态间的转换关系
线程能减少并发执行的时间和空间开销
- 线程的创建/终止/切换时间比进程短
- 同一进程的各线程间共享内存和文件资源，可不通过内核进行直接通信

提纲

为何需要线程？
线程的概念
使用线程
线程的设计实现

2.1 线程的定义

2.2 线程管理

用户态管理的线程与内核态管理的线程

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线程控制块(TCB, Thread Control Block)

typedef struct
{
       int                       detachstate;   // 线程的分离状态
       int                       schedpolicy;   // 线程调度策略 FIFO、RR等
       structsched_param         schedparam;    // 线程的调度参数 优先级
       int                       inheritsched;  // 线程的继承性
       int                       scope;         // 线程的作用域进程级、系统级
       size_t                    guardsize;     // 线程栈末尾的警戒缓冲区大小
       int                       stackaddr_set; // 线程的栈设置
       void*                     stackaddr;     // 线程栈的位置，起始地址
       size_t                    stacksize;     // 线程栈的大小
} pthread_attr_t;

创建线程API

创建线程：成功返回零，否则返回非零值

#include <pthread.h>
int pthread_create(      pthread_t *        thread,
               const pthread_attr_t *       attr,
                     void *                 (*start_routine)(void*),
                     void *                 arg);

thread指向pthread_t结构类型的指针
attr用于指定该线程可能具有的任何属性
start_routine是线程开始运行的函数指针
arg是要传递给线程开始执行的函数的参数

等待线程API

等待线程：一直阻塞调用它的线程，直至目标线程执行结束

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

thread指向pthread_t结构类型的指针
retval是指向返回值的指针

提纲

为何需要线程？
线程的概念

3. 使用线程

线程的设计实现

线程示例

1    void *mythread(void *arg) {
2        printf("%s\n", (char *) arg);
3        return NULL;
4    }
5    int main(int argc, char *argv[]) {
6       pthread_t p1, p2;
7       int rc;
8       printf("main: begin\n");
9       rc = pthread_create(&p1, NULL, mythread, "A"); assert(rc == 0);
10      rc = pthread_create(&p2, NULL, mythread, "B"); assert(rc == 0);
11      // join waits for the threads to finish
12      rc = pthread_join(p1, NULL); assert(rc == 0);
13      rc = pthread_join(p2, NULL); assert(rc == 0);
14      printf("main: end\n");
15      return 0;
16   }

线程示例输出

一个程序，它创建两个线程，每个线程都做了一些独立的工作，在这例子中，打印“A”或“B”。

❯ ./t0
main: begin
A
B
main: end

提纲

为何需要线程？
线程的概念
使用线程

4. 线程的设计实现

4.1 用户态管理且用户态运行的线程

4.2 内核态管理且用户态运行的线程 4.3 内核态管理且内核态运行的线程 4.4 混合管理且运行的线程

线程的几种实现方式

用户态管理且用户态运行的线程（内核不可见的用户线程）
- Thread managed&running in User-Mode
内核态管理且用户态运行的线程（内核可见的用户线程）
- Thread managed in Kernel-Mode&running in User-Mode
内核态管理且内核态运行的线程（内核线程）
- Thread managed&running in Kernel-Mode
混合管理且运行的线程（轻量级进程，混合线程）
- Thread managed&running in Mixed-Mode

用户态管理且用户态运行的线程

在用户态实现线程的管理与运行，操作系统感知不到这类线程的存在
- POSIX Pthreads，Mach C-threads，Solaris threads
- 别名：用户态线程(User-level Thread)、绿色线程(Green Thread)、有栈协程(Stackful Coroutine)、纤程(Fiber)

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