众人拾柴火焰高---linux下的线程

一， 引入线程

• 现代软件系统，除了进程之外，线程也是一个重要的概念，特别是随着CPU频率增长开始出现停滞，而开始向多核方向发展，多线程作为实现软件并发执行的一个重要的方法

二，什么是线程

1，线程概念

• 在一个程序里的一个执行线路就叫做线程，是程序执行流的最小单元。
• 线程是一个进程内部的控制序列，LINUX下没有真正的线程，因为LINUX下的线程是用进程PCB模拟的，所以LINUX下的线程也叫做轻量级的进程。
• 线程是CPU调度的基本单位。

2，线程的组成

• 一个标准的线程由线程ID、当前的指令指针、寄存器集合和堆栈组成。
• 一个进程通常由一个到多个线程组成，各个线程之间共享程序的内存空间(包括代码段、数据段、堆等)及一些进程级的资源。
• 一个进程和多个线程之间的关系如下图
  

3，多线程相对于单线程的优点

• 某个操作可能会陷入等待时间，无法继续执行，多线程执行可以有效地利用等待时间。
• 例如计算操作会消耗大量时间，如果只有一个线程，程序和用户之间交互会中断，多线程可以让一个线程负责交互，一个线程负责计算。
• 多CPU或者多核计算机本身就具有同时执行多个线程的能力，因此单线程程序无法全面的发挥计算机的全部计算能力。
• 相对于多进程应用，多线程在数据共享方面效率要高很多。

4，线程调度和优先级

线程调度

• 无论是单处理器还是多处理器，线程总是并发执行的，在线程数量少于处理器数量时，各个线程运行在不同的处理器上，互不干扰，但是当线程数量多于处理器数量时，线程的并发会受到阻碍，因为一个处理器上要运行多个线程。
• 当一个处理器上要处理多个线程时，操作系统会让这些多线程程序轮流执行，每一次执行很少时间，这样每个线程看起来是同时进行的，这样的一个在处理器上切换不同的线程的行为叫做线程调度。
• 在线程调度中，线程拥有三种状态：运行、就绪、等待。这三个状态的转移图如下图所示：
  

线程优先级

• 线程调度的方法主要是线程优先级调度，优先级调度决定线程按照什么样的顺序轮流执行，在线程优先级调度的系统中，每个线程都有自己的优先级，优先级高的线程会更早执行，线程优先级决定本线程被执行的早或迟。
• 在线程优先级调度的环境下，线程的优先级被改变有三种方式：1、用户指定优先级。2、根据进入等待状态的频繁程度提升或降低优先级，进入等待状态越频繁，说明线程占用处理器很短时间，这样的线程称之为IO密集型线程，进入等待时间少的线程称之为CPU密集型线程，IO密集型线程比CPU密集型线程容易得到优先级的提升。3、长时间得不到执行的线程，操作系统会提升其优先级。

三，线程安全

1，竞争与原子操作

• 多线程程序处于一个多变的环境，从指定位置开始执行，并且共享当前进程的内存空间和文件等，因此多线程程序在并发时数据的一致性变得非常重要。
• 我们把单指令的操作成为原子操作，因为无论如何，单指令的执行是不会被打断的。

2，同步与锁

• 同步：为了避免多个线程同时读写同一个数据而产生不可预料的后果，我们要将各个线程对数据的访问同步，同步就是指一个线程访问数据未结束的时候，其他线程不得对同一个数据进行访问，如此对数据的访问就原子化了。
• 实现同步的方法是使用锁，锁是一种非强制的机制，每一个线程在访问数据资源之前首先获取锁，并在访问结束的时候释放锁，在锁已经被占用的时候，线程会等待，知道锁重新可用。
• 二元信号量：是最简单的锁，只有两种状态：占用和非占用。适用于只能被唯一一个线程独占访问的资源
• 互斥量：和信号量很类似，资源仅同时允许一个线程访问。但和信号量不同的是，信号量在整个系统中可以被任意线程获取并释放，也就是说，同一个信号量可以被系统中的一个线程获取之后，然后由另一个线程释放。而互斥量则要求哪个线程获取互斥量，哪个线程来释放互斥量，其他线程释放互斥量是无效的。
• 读写锁：对于一段数据，多个线程同时读取是没有问题的，但是当某一个线程试图对这个数据进行修改，就必须使用同步的手段来保证数据的安全，如果使用信号量，互斥量或者临界区来进行同步，可以保证程序的正确性，但是对于读取频繁，偶尔写入的情况，这些保证同步的手段会变得十分低效，读写锁可以避免这个问题，对于一个读写锁，有两种获取方式，共享的或者是独占的，当锁处于共享的状态，其他线程以共享的方式获取锁，是可以获取成功的，但是当一个锁以独占的方式获取这个锁的时候，它必然要等待这个锁被所有的线程释放，相应的，处于独占状态的锁将会阻止任何线程获取该锁，
  
• 条件变量：也是一同同步的手段，对于条件变量，线程可以有两种操作，首先线程可以等待一个条件变量，线程也可以唤醒一个条件变量，使用条件变量可以让大量线程等待某一个事件的发生，当事件发生的时候，所有的线程可以一起恢复执行。