操作系统-多线程编程-并发编程机制

十四、多线程编程

POSIX标准中定义的现程，属性，操作方法 被广泛认可和遵循。最贴近POSIX标准的线程实现，NPTL（Native POSIX Threads Library）

线程可以看作进程的一个控制流，一个进程至少包含一个线程。进程的第一个线程会随着进程的启动 而被创建，这个线程叫主线程。进程可以包含多个线程。

线程是由当前进程中已存在的 线程 执行的系统调用（pthread_create函数）创建。

线程拥有自己的线程栈。它在 进程的虚拟内存地址中。线程共享进程中的资源，包括 代码段，数据段，堆，信号处理函数，以及当前进程特有的文件描述符。因此，同一个进程中的多个线程一定运行的是同一个程序。

线程有自己的ID，叫线程ID或TID，在系统范围内TID可以不唯一，但在所属进程中必须唯一（linux系统做到了每个TID在系统范围内唯一）。

线程间的控制，任意两个的关系都是平等的。任何线程对所属进程的其他线程进行有限管理。

1. 创建线程，进程内部的线程（调用线程）可以创建线程，pthread_create

2. 终止线程，进程内部的线程可以终止其他线程，pthread_cancel（TID）

3. 连接已终止线程，进程内部线程可以连接其他线程，pthread_join(TID)，阻塞等待该线程的start函数的返回值告诉调用线程。

4. 分离线程，进程内部的线程可以分离其他线程，pthread_detach(TID)，让其自行清理和销毁工作。线程自己也可以终止和分离，通过start函数中的return 。主线程中执行return会导致进程中所有线程被终止。系统调用exit也会终止。

5. 线程状态，

线程被创建后进入就绪状态，等待运行时机，一旦线程被运行，由就绪状态转为运行状态

运行中的线程，可能因某些事件（未完成的I/O，信号量未到，获得互斥量，条件变量）被阻塞，由运行态转为睡眠态

阻塞线程等待的事件满足时，由睡眠态转为就绪态。不会直接转为运行态。

运行态的线程因CPU 被抢占转为就绪态。

当前线程收到自己或他人的取消信号时，试图进入 终止态，此时如果没有被分离或连接，就进入僵尸态

僵尸态的线程 经过连接 进入终止态

6. 线程的调度，调度器把时间分片 分配给不同的线程，让多个线程有机会使用cpu。即线程的上下文切换。

7. 线程的静态优先级，由程序指定，调度器不会改变线程的静态优先级。静态优先级决定了单次占用 cpu的最长时间，即时间片。

互斥量（mutex），线程在进入临界区前必须锁定对象。

1. 互斥量初始化必须保证唯一性

2. 线程在离开临界区的时候必须及时解锁，防止死锁

3. 锁定和解锁互斥量是需要时间的，互斥量本身会降低程序的性能

4. 多个互斥锁不能交叉使用，会进入饥饿状态 无法完成。（固定顺序锁）

5. 线程A先锁定互斥量a成功；线程B先锁定互斥量b成功；线程A再锁定互斥量b失败；线程B再锁定互斥量a失败。

条件变量，条件变量总是与互斥量组合使用。**互斥量**为共享数据提供**互斥访问**，**条件变量**为共享数据的状态的变化提供**通知**

1. 生产者--消费模型，一个队列，生产者生产数据，消费者消费数据

2. 生产者的写，消费者的读 放在临界区。用一个互斥量保护。可以保证队列的正确与完整。

3. 但是，生产者获得互斥量，却发现队列满了。生产者在临界区等待。一直等待导致消费者无法进入临界区。

4. 解决办法是增加一个状态变量，用来表示队列状态。生产者进入临界区 发现满了，则释放锁。消费者进入临界区发现空的，则释放锁。

线程安全，一个代码快可以被多个线程并发执行，且总能够产生预期的结果。代码块包含了对共享数据的操作，代码块就是非线程安全。如果代码块类似的操作 处于临界区，那么代码块就是线程安全。（解决临界区互斥访问就实现了线程安全）