线程
什么是线程 && 为什么使用 ？
需要提出一种新的实体, 满足以下特征:
实体之间可以并发执行;
实体之间共享相同的地址空间.
这实体就是线程.
线程是进程当中的一条执行流程.
从两个方面重新理解进程:
- 从资源组合的角度: 进程把一组相关的资源组合起来,构成了一个资源平台(环境),包括地址空间(代码段,数据段),打开的文件等各种资源;
- 从运行的角度: 代码在这个资源平台上的一条执行流程(线程).
线程的优缺点：
线程 = 进程 - 共享资源
线程的优点:
- 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地执行;
- 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源.
线程的缺点: （他的优点 也是 他的缺点 ）
- 一个线程崩溃, 会导致其所属进程的所有线程崩溃.(给它了”权限”就得有更高的”责任”)
- 线程所需的资源不同的线程需要独立的寄存器和堆栈, 共享代码,数据和文件等.
★★进程和线程的比较★★★
- 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, 而线程只独享必不可少的资源, 如寄存器和栈;
- 线程同样具有就绪,阻塞和执行三种基本状态,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:
线程的创建时间比进程短;(直接利用所属进程的一些状态信息)
线程的终止时间比进程短;(不需要考虑把这些状态信息给释放)
同一进程内的线程切换时间比进程短;(同一进程不同线程的切换不需要切换页表)
由于同一进程的各线程之间共享内存和文件资源, 可直接进行不通过内核的通信.(直接通过内存地址读写资源)
线程的实现
线程的实现之 用户线程
在用户空间实现
在用户空间实现的线程机制, 它不依赖于操作系统的内核, 由一组用户级的线程库来完成线程的管理, 包括进程的创建,终止,同步和调度等.
操作系统只能看到进程， 但是却看不到线程 ，线程的TCB在线程库中实现；
特点 ：
- 由于用户线程的维护由相应的进程来完成(通过线程库函数),不需要操作系统内核了解用户进程的存在,可用于不支持线程技术的多进程操作系统;
- 每个进程都需要它自己私有的线程控制块(TCB)列表,用来跟踪记录它的各个线程的状态信息(PC,栈指针,寄存器),TCB由线程库函数来维护;
- 用户线程的切换也是由线程库函数来完成,无需用户态/核心态切换,所以速度特别快;
- 允许每个进程拥有自定义的线程调度算法.
缺点：
- 阻塞性的系统调用如何实现?如果一个线程发起系统调用而阻塞,则整个进程在等待;
- 当一个线程开始运行时,除非它主动地交出CPU的使用权,否则它所在的进程当中的其他线程将无法运行;
- 由于时间片分配给进程,所以与其他进程比,在多线程执行时,每个线程得到的时间片较少,执行会较慢.
线程的实现之 内核线程
在内核空间实现
内核线程是在操作系统的内核当中实现的一种线程机制,由操作系统的内核来完成线程的创建,终止和管理.
特点
- 在支持内核线程的操作系统中,由内核来维护进程和线程的上下文信息(PCB和TCB);
- 线程的创建,终止和切换都是通过系统调用,内核函数的方式来进行,由内核来完成,因此系统开销较大;
- 在一个进程当中,如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞,并不会影响其他内核线程的运行;
- 时间片分配给线程,多线程的进程获得更多CPU时间;
- Windows NT 和 Windows 2000/XP 支持内核线程.
- 线程的实现之 轻量级进程
内核支持的用户线程（Solaris/ Linux）
一个进程可以有一个或多个轻量化进程,每个量级进程由一个单独的内核线程来支持.(Solaris,Linux)
上下文切换
程序以进程的形式 在操作系统中运行。
停止当前运行进程(从运行状态变成其他状态),并且调度其他进程(转变为运行状态)
- 必须在切换之前存储许多部分的进程上下文
- 必须能够在之后恢复他们,所以进程不能显示它曾经被暂停过
- 必须快速(上下文切换时非常频繁)
需要存储什么上下文?
- 寄存器(PC,SP…),CPU状态等信息
- 一些时候可能会费时,所以我们应该尽可能避免
操作系统为活跃进程准备了进程控制块（PCB）
操作系统将进程控制块(PCB)放置在一个合适的队列中
有三个队列：
- 就绪队列
- 等待IO队列(每个设备的队列)
- 僵尸队列
进程控制
进程控制 之 创建进程
创建进程的简单实现（fork() ）
- 对子进程分配内存
- 复制父进程的内存和CPU寄存器到子进程
- 开销昂贵
在大多数情况下， 我们在调用fork() 之后要调用exec()
- 在fork( ) 操作中内存复制是没有作用的
- 子进程将可能关闭打开的文件和链接
- 开销因此是最高的
- 为什么不能结合他们在一个调用中 ？
vfork()
- 一个创建进程的系统调用，不需要创建一个同样的内存映射
- 一些适合称为轻量级fork()
- 子进程应该几乎立即调用exec()
- 现在不再使用 copy on write 技术
- 进程控制 之 加载和执行进程
系统调用exec()加载程序取代当前运行的进程
exec()调用允许一个进程”加载”一个不同的程序并且在main开始执行(事实上 _start)
它允许一个进程指定参数的数量(argc)和它字符串参数数组(argv)
如果调用成功(相同的进程,不同的程序)
代码,stack,heap重写
进程控制 之 等待和终止进程
wait()系统调用是被父进程用来等待子进程的结束
- 一个子进程向父进程返回一个值,所以父进程必须接受这个值并处理
- wait()系统调用担任这个要求
- 它使父进程去睡眠来等待子进程的结束
当一个子进程调用exit()的时候,操作系统解锁父进程,并且将通过exit()传递得到的返回值作为wait调用的一个结果(连同子进程的pid一起)如果这里没有子进程存活,wait()立刻返回
当然,如果这里有为父进程的僵尸等待,wait()立即返回其中一个值(并且解除僵尸状态)
- 进程结束执行之后,它调用exit()
- 这个系统调用:
将这程序的”结果”作为一个参数
关闭所有打开的文件,连接等等
释放内存
释放大部分支持进程的操作系统结构
检查是否父进程是存活着的:
如果是的话,它保留结果的值直到父进程需要它;在这种情况里,进程没有真正死亡,但是它进入了僵尸状态
如果没有,它释放所有的数据结构,这个进程死亡
- 清理所有等待的僵尸进程
- 进程终止是最终的垃圾收集(资源回收)
