Liunx的多線程

??Windows 對進程和線程的實現(xiàn)如同教科書一般標準，Windows內核有明確的線程和進程的概念。在Windows API中，可以使用明確的API: CreateProcess和 CreateThread來創(chuàng)建 進程和線程，并且有一系列的API來操縱它們。但對于Liunx來說，線程并不是一個通用的概念。

?Liunx內核中不存在真正意義上的線程概念。Liunx將所有的執(zhí)行實體(無論是線程還是進程)都稱為任務(Task)，每一個任務概念上都類似于一個單線程的進程，具有內存空間、執(zhí)行實體、文件資源等。不過,Liunx下不同的任務之間可以選擇共享內存空間，因而在實際意義上，共享了同一個內存空間的多個任務構成了一個進程，這些任務也就成了這個進程里的線程。在Liunx下，用以下方法可以創(chuàng)建一個新的任務，如表1-2所示：

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fork函數(shù)嘗試一個和當前進程完全一樣的新進程，并和當前進程一樣從fork函數(shù)里返回。

pid_t pid;
if (pid = fork())
{
.....
}

?在fork函數(shù)調用之后，新的任務將啟動并和本任務一起從fork函數(shù)返回。但不同的是本任務的fork將返回新任務pid,而新任務的fork將返回0.
?fork產生新任務的速度非?？?，因為fork并不復制原任務的內存空間，而是和原任務一起共享一個寫時復制(Copy on Write,COW)的內存空間(見圖1-10)。所謂寫時復制，指的是兩個任務可以同時自由地讀取內存，但任意一個任務試圖對內存進行修改時，內存就會復制一份提高內修改方單獨使用，以免影響到其他的任務使用。

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?fork只能產生本任務的鏡像，因此必須要使用exec配合才能夠啟動別的新任務。exec可以用新的可執(zhí)行映像替換當前的可執(zhí)行映像。因此在fork產生了一個新任務只會，新任務可以調用exec來執(zhí)行新的可執(zhí)行文件。fork和exec通常用于產生新任務，而如果要產生新線程，則可以用clone。clone函數(shù)原型如下：

int clone(int (*fn)(void *), void* child_stack,int flags, void* arg);

?使用clone可以產生一個新的任務，從指定的位置開始執(zhí)行，并且(可選的)共享當前進程的內存空間和文件等。如此就可以在實際效果上產生一個線程。

線程安全

??多線程程序處于一個多變的環(huán)境當中，可以訪問的全局變量和堆數(shù)據隨時都可能被其他的線程改變。因此多線程程序在并發(fā)時數(shù)據的一致性變得非常重要。

競爭與原子操作
??多個線程同手訪問一個共享數(shù)據，可能造成很惡劣的后果，下面是一個著名的例子，假設有兩個線程分別要執(zhí)行如表1-3所示的C代碼。

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（1）讀取i到某個寄存器X
（2）X++
（3）將X的內容存儲回i
?由于線程1和線程2并發(fā)執(zhí)行，因此兩個線程的執(zhí)行序列很可能如下(注意，寄存器X的內容在不同的線程中是不一樣的，這里用X[1]和X[2]分別表示線程1和線程2中的X),如表1-4所示

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同步和鎖
?為了避免多個線程同時讀寫同一個數(shù)據而產生不可預料的后果，我們需要將各個線程對同一個數(shù)據的訪問同步(Synchronization)。所謂同步，既是指在一個線程訪問數(shù)據未結束的時候，其他線程不得對同一個數(shù)據進行訪問。如此，對數(shù)據的訪問被原子化了。
?同步的最常見方法是使用鎖(Lock)。鎖是一種非強制機制，每一個線程在訪問數(shù)據或資源之前首先試圖獲得(Acquire)鎖，并在訪問之后釋放（Release）鎖。在鎖已經被占用的時候試圖獲取鎖時，線程會等待，直到鎖重新可用。

二元信號量(Binary Semaphore)是最簡單的一種鎖，它只有兩種狀態(tài)：占用與非占用。它適合只能被唯一一個線程獨占訪問的資源。當二元信號量處于非占用狀態(tài)時，第一個試圖獲取該二元信號量的線程會獲得該鎖，并將二元信號量置為占用狀態(tài)，此后其他的所有試圖獲取該二元信號量的線程將會等待，直到該鎖被釋放。

多元信號量，允許多個線程并發(fā)訪問資源。一個初始值為N的信號量允許N個線程并發(fā)訪問。線程訪問資源的時候首先獲取信號量,進行如下操作:

• 將信號量的值減1.
• 如果信號量的值小于0，則進入等待狀態(tài)，否則繼續(xù)執(zhí)行。
  訪問完資源之后，線程釋放信號量，進行如下操作:
• 將信號量的值加1
• 如果信號量的值小于1，喚醒一個等待中的線程。

互斥量(Mutex)與二元信號量類似，資源僅允許一個線程訪問，但和信號量不同的時，信號量在整個系統(tǒng)可以被任意線程獲取并釋放，也就是說，同一個信號量可以被系統(tǒng)中的一個線程獲取之后由另一個線程釋放。而互斥量則要求哪個線程獲取了互斥量，哪個線程就要負責釋放這個鎖，其他線程越俎代庖去釋放互斥量是無效的。

臨界區(qū)(Critical Section)是比互斥量更加嚴格的同步手段。在術語中，把臨界區(qū)的鎖的獲取稱為進入臨界區(qū)，而把鎖的釋放稱為離開臨界區(qū)。臨界區(qū)和互斥量與信號量的區(qū)別在于，互斥量和信號量在系統(tǒng)的任何進程里都是可見的。也就是說，一個進程創(chuàng)建了一個互斥量或信號量，另一個進程試圖去獲取該鎖是合法的。然而，臨界區(qū)的作用范圍僅限于本進程，其他的進程無法獲取該鎖。除此之外，臨界區(qū)具有和互斥量相同的性質。

讀寫鎖(Read-Write Lock)。對于同一個鎖，讀寫鎖有兩種獲取方式。共享的(Shared)或獨占的(Exclkusive)。當鎖處于自由狀態(tài)時，試圖以任何一種方式獲取鎖都能成功，并將鎖置于對應的狀態(tài)。如果鎖處于共享狀態(tài)，其他線程以共享的方式獲取鎖仍然會成功，此時這個鎖分配給了多個線程。然而，如果其他線程試圖以獨占的方式獲取已經處于共享狀態(tài)的鎖，那么它就必須等待鎖被所有的線程釋放。相應的，處于獨占狀態(tài)的鎖將阻止任何其他線程獲取該鎖，不論它們試圖以哪種方式獲取。

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條件變量(Condition Variable)作為一種同步手段，作用類似于一個柵欄。對于條件變量，線程可以用兩種操作，首先線程可以等待條件變量，一個條件變量可以被多個線程等待。其次，線程可以喚醒條件變量，此時某個或所有等待此條件變量的線程都會被喚醒并繼續(xù)支持。也就是說，使用條件變量可以讓許多線程一起等待某個事件的發(fā)生，當事件發(fā)生時（條件變量被喚醒），所有的線程可以一起恢復執(zhí)行。

可重入(Reentrant)與線程安全

?一個函數(shù)被重入，表示這個函數(shù)沒有執(zhí)行完成，由于外部因素或內部調用，又一次進入該函數(shù)執(zhí)行。一個函數(shù)要被重入，只有兩種情況：
（1）多個線程同時執(zhí)行這個函數(shù)
?(2) 函數(shù)自身(可能是經過多層調用之后)調用本身。

?一個函數(shù)被稱為可重入，表明函數(shù)被重入之后不會產生任何不良影響。一個函數(shù)要成為可重入的，必須具有如下幾個特點:

• 不使用任務(局部)靜態(tài)或全局的非const變量。
• 不返回任何(局部)靜態(tài)或全局的非const變量的指針。
• 僅依賴于調用方提供的參數(shù)。
• 不依賴任何單個資源的鎖(mutex等)。
• 不調用任何不可重入函數(shù)。

可重入是并發(fā)安全的強力保障，一個可重入函數(shù)可以在多線程環(huán)境下放心使用。

多線程內部情況

三種線程模型
?線程的并發(fā)執(zhí)行時由多處理器或操作系統(tǒng)調度來實現(xiàn)的。但實際情況更會復雜一些:大多數(shù)操作系統(tǒng)，包括Windows和Liunx,都在內核里提供線程的支持，內核線程(注：這里的內核線程和Liunx內核里的kernel_thread并比不是一回事)由多處理器或調度來實現(xiàn)并發(fā)。然而用戶實際使用的線程并不是內核線程，而是存在于用戶態(tài)的用戶線程。用戶線程并不一定在操作系統(tǒng)內核里對用同等數(shù)量的內核線程，例如某些輕量級的線程庫，對用戶來說如果有三個線程在同時執(zhí)行，對內核來說很可能只有一個線程。

用戶態(tài)多線程的三種實現(xiàn)方式:

1.一對一模型
?對應直接支持線程的系統(tǒng)，一對一模型始終是最為簡單的模型。對一對一模型來說，一個用戶使用的線程就是唯一對應一個內核使用的線程(但反過來不一定,一個內核里的線程在用戶態(tài)不一定有對應的線程存在)

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?這樣用戶線程就具有了和內核線程一致的優(yōu)點，線程之間的并發(fā)是真正的并發(fā)，一個線程因為某原因阻塞時，其他線程執(zhí)行不會受到影響。此外，一對一模型也可以讓多線程程序在多處理器的系統(tǒng)上有更好的表現(xiàn)。

?在Liunx系統(tǒng)里使用clone產生的線程就是一個一對一線程，為此時在內核中有一個唯一的線程與之對應。

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?一對一線程缺點有兩個:

• 由于許多操作系統(tǒng)限制了內核線程的數(shù)量，因此一對一線程會讓用戶的線程數(shù)量受到限制；
• 許多操作系統(tǒng)內核線程調度時，上下文切換的開銷較大，導致用戶線程的執(zhí)行效率下降。

2.多對一模型
?多對一模型將多個用戶線程映射到一個內核線程上，線程之間的切換由用戶態(tài)的代碼來進行，因此相對于一對一模型，多對一模型的線程切換要快速許多。

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• 如果其中一個用戶線程阻塞，所有線程都將無法執(zhí)行，因為此時內核里的線程也隨之阻塞了。
• 多處理器系統(tǒng)上處理器的增多對多對一模型的線程性能也不會有明顯的幫組。
  ?優(yōu)點：高效的上下文切換和幾乎無限制的線程數(shù)量。

3.多對多模型
?多對多模型結合了多對一模型的一對一模型的特點，將多個用戶線程映射到少數(shù)但不止一個內核線程上

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• 一個用戶線程阻塞不會所所有線程阻塞，因為此時還有別的線程可以被調度來執(zhí)行
• 對用戶線程的數(shù)量沒什么限制
• 在多處理器系統(tǒng)上，多對多模型的線程性能可以得到一定提升，不過提升幅度不如一對一模型高。