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写给大忙人看的进程和线程(三)

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POSIX 线程


为了使编写可移植线程程序成为可能,IEEE 在 IEEE 标准 1003.1c 中定义了线程标准。线程包被定义为 Pthreads。大部分的 UNIX 系统支持它。这个标准定义了 60 多种功能调用,一一列举不太现实,下面为你列举了一些常用的系统调用。

POSIX线程(通常称为pthreads)是一种独立于语言而存在的执行模型,以及并行执行模型。它允许程序控制时间上重叠的多个不同的工作流程。每个工作流程都称为一个线程,可以通过调用POSIX Threads API来实现对这些流程的创建和控制。可以把它理解为线程的标准。

POSIX Threads 的实现在许多类似且符合POSIX的操作系统上可用,例如 FreeBSD、NetBSD、OpenBSD、Linux、macOS、Android、Solaris,它在现有 Windows API 之上实现了pthread

IEEE 是世界上最大的技术专业组织,致力于为人类的利益而发展技术。

线程调用描述
pthread_create创建一个新线程
pthread_exit结束调用的线程
pthread_join等待一个特定的线程退出
pthread_yield释放 CPU 来运行另外一个线程
pthread_attr_init创建并初始化一个线程的属性结构
pthread_attr_destory删除一个线程的属性结构

所有的 Pthreads 都有特定的属性,每一个都含有标识符、一组寄存器(包括程序计数器)和一组存储在结构中的属性。这个属性包括堆栈大小、调度参数以及其他线程需要的项目。

新的线程会通过 pthread_create 创建,新创建的线程的标识符会作为函数值返回。这个调用非常像是 UNIX 中的 fork 系统调用(除了参数之外),其中线程标识符起着 PID 的作用,这么做的目的是为了和其他线程进行区分。

当线程完成指派给他的工作后,会通过 pthread_exit 来终止。这个调用会停止线程并释放堆栈。

一般一个线程在继续运行前需要等待另一个线程完成它的工作并退出。可以通过 pthread_join 线程调用来等待别的特定线程的终止。而要等待线程的线程标识符作为一个参数给出。

有时会出现这种情况:一个线程逻辑上没有阻塞,但感觉上它已经运行了足够长的时间并且希望给另外一个线程机会去运行。这时候可以通过 pthread_yield 来完成。

下面两个线程调用是处理属性的。pthread_attr_init 建立关联一个线程的属性结构并初始化成默认值,这些值(例如优先级)可以通过修改属性结构的值来改变。

最后,pthread_attr_destroy 删除一个线程的结构,释放它占用的内存。它不会影响调用它的线程,这些线程会一直存在。

为了更好的理解 pthread 是如何工作的,考虑下面这个例子

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define NUMBER_OF_THREADS 10
void *print_hello_world(vvoid *tid){
  /* 输出线程的标识符,然后退出 */
  printf("Hello World. Greetings from thread %d\n",tid);
  pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc,char *argv[]){
  /* 主程序创建 10 个线程,然后退出 */
  pthread_t threads[NUMBER_OF_THREADS];
  int status,i;
  for(int i = 0;i < NUMBER_OF_THREADS;i++){
    printf("Main here. Creating thread %d\n",i);
    status = pthread_create(&threads[i], NULL, print_hello_world, (void *)i);
    if(status != 0){
      printf("Oops. pthread_create returned error code %d\n",status);
      exit(-1);
    }
  }
  exit(NULL);
}

主线程在宣布它的指责之后,循环 NUMBER_OF_THREADS 次,每次创建一个新的线程。如果线程创建失败,会打印出一条信息后退出。在创建完成所有的工作后,主程序退出。


线程实现


主要有三种实现方式

  • 在用户空间中实现线程;
  • 在内核空间中实现线程;
  • 在用户和内核空间中混合实现线程。

下面我们分开讨论一下


在用户空间中实现线程


第一种方法是把整个线程包放在用户空间中,内核对线程一无所知,它不知道线程的存在。所有的这类实现都有同样的通用结构

20.png

线程在运行时系统之上运行,运行时系统是管理线程过程的集合,包括前面提到的四个过程:pthread_create, pthread_exit, pthread_join 和 pthread_yield。

运行时系统(Runtime System) 也叫做运行时环境,该运行时系统提供了程序在其中运行的环境。此环境可能会解决许多问题,包括应用程序内存的布局,程序如何访问变量,在过程之间传递参数的机制,与操作系统的接口等等。编译器根据特定的运行时系统进行假设以生成正确的代码。通常,运行时系统将负责设置和管理堆栈,并且会包含诸如垃圾收集,线程或语言内置的其他动态的功能。

在用户空间管理线程时,每个进程需要有其专用的线程表(thread table),用来跟踪该进程中的线程。这些表和内核中的进程表类似,不过它仅仅记录各个线程的属性,如每个线程的程序计数器、堆栈指针、寄存器和状态。该线程表由运行时系统统一管理。当一个线程转换到就绪状态或阻塞状态时,在该线程表中存放重新启动该线程的所有信息,与内核在进程表中存放的信息完全一样。


在用户空间实现线程的优势


在用户空间中实现线程要比在内核空间中实现线程具有这些方面的优势:考虑如果在线程完成时或者是在调用 pthread_yield 时,必要时会进程线程切换,然后线程的信息会被保存在运行时环境所提供的线程表中,然后,线程调度程序来选择另外一个需要运行的线程。保存线程的状态和调度程序都是本地过程所以启动他们比进行内核调用效率更高。因而不需要切换到内核,也就不需要上下文切换,也不需要对内存高速缓存进行刷新,因为线程调度非常便捷,因此效率比较高

在用户空间实现线程还有一个优势就是它允许每个进程有自己定制的调度算法。例如在某些应用程序中,那些具有垃圾收集线程的应用程序(知道是谁了吧)就不用担心自己线程会不会在不合适的时候停止,这是一个优势。用户线程还具有较好的可扩展性,因为内核空间中的内核线程需要一些表空间和堆栈空间,如果内核线程数量比较大,容易造成问题。


在用户空间实现线程的劣势


尽管在用户空间实现线程会具有一定的性能优势,但是劣势还是很明显的,你如何实现阻塞系统调用呢?假设在还没有任何键盘输入之前,一个线程读取键盘,让线程进行系统调用是不可能的,因为这会停止所有的线程。所以,使用线程的一个目标是能够让线程进行阻塞调用,并且要避免被阻塞的线程影响其他线程

与阻塞调用类似的问题是缺页中断问题,实际上,计算机并不会把所有的程序都一次性的放入内存中,如果某个程序发生函数调用或者跳转指令到了一条不在内存的指令上,就会发生页面故障,而操作系统将到磁盘上取回这个丢失的指令,这就称为缺页故障。而在对所需的指令进行读入和执行时,相关的进程就会被阻塞。如果只有一个线程引起页面故障,内核由于甚至不知道有线程存在,通常会把整个进程阻塞直到磁盘 I/O 完成为止,尽管其他的线程是可以运行的。

另外一个问题是,如果一个线程开始运行,该线程所在进程中的其他线程都不能运行,除非第一个线程自愿的放弃 CPU,在一个单进程内部,没有时钟中断,所以不可能使用轮转调度的方式调度线程。除非其他线程能够以自己的意愿进入运行时环境,否则调度程序没有可以调度线程的机会。


在内核中实现线程


现在我们考虑使用内核来实现线程的情况,此时不再需要运行时环境了。另外,每个进程中也没有线程表。相反,在内核中会有用来记录系统中所有线程的线程表。当某个线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时,它会进行一个系统调用,这个系统调用通过对线程表的更新来完成线程创建或销毁工作。

21.png

内核中的线程表持有每个线程的寄存器、状态和其他信息。这些信息和用户空间中的线程信息相同,但是位置却被放在了内核中而不是用户空间中。另外,内核还维护了一张进程表用来跟踪系统状态。

所有能够阻塞的调用都会通过系统调用的方式来实现,当一个线程阻塞时,内核可以进行选择,是运行在同一个进程中的另一个线程(如果有就绪线程的话)还是运行一个另一个进程中的线程。但是在用户实现中,运行时系统始终运行自己的线程,直到内核剥夺它的 CPU 时间片(或者没有可运行的线程存在了)为止。

由于在内核中创建或者销毁线程的开销比较大,所以某些系统会采用可循环利用的方式来回收线程。当某个线程被销毁时,就把它标志为不可运行的状态,但是其内部结构没有受到影响。稍后,在必须创建一个新线程时,就会重新启用旧线程,把它标志为可用状态。

如果某个进程中的线程造成缺页故障后,内核很容易的就能检查出来是否有其他可运行的线程,如果有的话,在等待所需要的页面从磁盘读入时,就选择一个可运行的线程运行。这样做的缺点是系统调用的代价比较大,所以如果线程的操作(创建、终止)比较多,就会带来很大的开销。


混合实现


结合用户空间和内核空间的优点,设计人员采用了一种内核级线程的方式,然后将用户级线程与某些或者全部内核线程多路复用起来

22.png

在这种模型中,编程人员可以自由控制用户线程和内核线程的数量,具有很大的灵活度。采用这种方法,内核只识别内核级线程,并对其进行调度。其中一些内核级线程会被多个用户级线程多路复用。


进程间通信


进程是需要频繁的和其他进程进行交流的。例如,在一个 shell 管道中,第一个进程的输出必须传递给第二个进程,这样沿着管道进行下去。因此,进程之间如果需要通信的话,必须要使用一种良好的数据结构以至于不能被中断。下面我们会一起讨论有关 进程间通信(Inter Process Communication, IPC) 的问题。

关于进程间的通信,这里有三个问题

  • 上面提到了第一个问题,那就是一个进程如何传递消息给其他进程。
  • 第二个问题是如何确保两个或多个线程之间不会相互干扰。例如,两个航空公司都试图为不同的顾客抢购飞机上的最后一个座位。
  • 第三个问题是数据的先后顺序的问题,如果进程 A 产生数据并且进程 B 打印数据。则进程 B 打印数据之前需要先等 A 产生数据后才能够进行打印。

需要注意的是,这三个问题中的后面两个问题同样也适用于线程

第一个问题在线程间比较好解决,因为它们共享一个地址空间,它们具有相同的运行时环境,可以想象你在用高级语言编写多线程代码的过程中,线程通信问题是不是比较容易解决?

另外两个问题也同样适用于线程,同样的问题可用同样的方法来解决。我们后面会慢慢讨论这三个问题,你现在脑子中大致有个印象即可。


竞态条件


在一些操作系统中,协作的进程可能共享一些彼此都能读写的公共资源。公共资源可能在内存中也可能在一个共享文件。为了讲清楚进程间是如何通信的,这里我们举一个例子:一个后台打印程序。当一个进程需要打印某个文件时,它会将文件名放在一个特殊的后台目录(spooler directory)中。另一个进程 打印后台进程(printer daemon) 会定期的检查是否需要文件被打印,如果有的话,就打印并将该文件名从目录下删除。

假设我们的后台目录有非常多的 槽位(slot),编号依次为 0,1,2,…,每个槽位存放一个文件名。同时假设有两个共享变量:out,指向下一个需要打印的文件;in,指向目录中下个空闲的槽位。可以把这两个文件保存在一个所有进程都能访问的文件中,该文件的长度为两个字。在某一时刻,0 至 3 号槽位空,4 号至 6 号槽位被占用。在同一时刻,进程 A 和 进程 B 都决定将一个文件排队打印,情况如下

23.png

墨菲法则(Murphy) 中说过,任何可能出错的地方终将出错,这句话生效时,可能发生如下情况。

进程 A 读到 in 的值为 7,将 7 存在一个局部变量 next_free_slot 中。此时发生一次时钟中断,CPU 认为进程 A 已经运行了足够长的时间,决定切换到进程 B 。进程 B 也读取 in 的值,发现是 7,然后进程 B 将 7 写入到自己的局部变量 next_free_slot 中,在这一时刻两个进程都认为下一个可用槽位是 7 。

进程 B 现在继续运行,它会将打印文件名写入到 slot 7 中,然后把 in 的指针更改为 8 ,然后进程 B 离开去做其他的事情

现在进程 A 开始恢复运行,由于进程 A 通过检查 next_free_slot也发现 slot 7 的槽位是空的,于是将打印文件名存入 slot 7 中,然后把 in 的值更新为 8 ,由于 slot 7 这个槽位中已经有进程 B 写入的值,所以进程 A 的打印文件名会把进程 B 的文件覆盖,由于打印机内部是无法发现是哪个进程更新的,它的功能比较局限,所以这时候进程 B 永远无法打印输出,类似这种情况,即两个或多个线程同时对一共享数据进行修改,从而影响程序运行的正确性时,这种就被称为竞态条件(race condition)。调试竞态条件是一种非常困难的工作,因为绝大多数情况下程序运行良好,但在极少数的情况下会发生一些无法解释的奇怪现象。


临界区


不仅共享资源会造成竞态条件,事实上共享文件、共享内存也会造成竞态条件、那么该如何避免呢?或许一句话可以概括说明:禁止一个或多个进程在同一时刻对共享资源(包括共享内存、共享文件等)进行读写。换句话说,我们需要一种 互斥(mutual exclusion) 条件,这也就是说,如果一个进程在某种方式下使用共享变量和文件的话,除该进程之外的其他进程就禁止做这种事(访问统一资源)。上面问题的纠结点在于,在进程 A 对共享变量的使用未结束之前进程 B 就使用它。在任何操作系统中,为了实现互斥操作而选用适当的原语是一个主要的设计问题,接下来我们会着重探讨一下。

避免竞争问题的条件可以用一种抽象的方式去描述。大部分时间,进程都会忙于内部计算和其他不会导致竞争条件的计算。然而,有时候进程会访问共享内存或文件,或者做一些能够导致竞态条件的操作。我们把对共享内存进行访问的程序片段称作 临界区域(critical region)临界区(critical section)。如果我们能够正确的操作,使两个不同进程不可能同时处于临界区,就能避免竞争条件,这也是从操作系统设计角度来进行的。

尽管上面这种设计避免了竞争条件,但是不能确保并发线程同时访问共享数据的正确性和高效性。一个好的解决方案,应该包含下面四种条件

  1. 任何时候两个进程不能同时处于临界区
  2. 不应对 CPU 的速度和数量做任何假设
  3. 位于临界区外的进程不得阻塞其他进程
  4. 不能使任何进程无限等待进入临界区

24.jpg

从抽象的角度来看,我们通常希望进程的行为如上图所示,在 t1 时刻,进程 A 进入临界区,在 t2 的时刻,进程 B 尝试进入临界区,因为此时进程 A 正在处于临界区中,所以进程 B 会阻塞直到 t3 时刻进程 A 离开临界区,此时进程 B 能够允许进入临界区。最后,在 t4 时刻,进程 B 离开临界区,系统恢复到没有进程的原始状态。


忙等互斥


下面我们会继续探讨实现互斥的各种设计,在这些方案中,当一个进程正忙于更新其关键区域的共享内存时,没有其他进程会进入其关键区域,也不会造成影响。

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