C++多線程編程學習(1)

文章目錄

• 1、線程的基本概念、線程的基本狀態及狀態之間的關係。
• 2、線程與進程的區別
• 3、線程的同步與互斥
• 4、死結產生的原因以及如何避免死結

1、線程的基本概念、線程的基本狀態及狀態之間的關係。

(1)線程的概念 

-------1) 線程最直接的理解就是“輕量級進程”，它是一個基本的CPU執行單元，也是程式執行流的最小單位，由線程ID、程式計數器、寄存器集合和堆棧組成。 

-------2) 線程是進程中的一個實體，是被系統獨立調度和指派的基本單位。線程自己不擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源，但它可以與同屬一個進程的其它線程共用進程所擁有的全部資源。

-------3)不同的線程可以執行相同的程式，即同一個服務被不同的使用者調用時，作業系統為它們建立成不同的線程。

-------4)線程是處理機的獨立調度單位，多個線程是可以並發執行的。在單CPU的電腦系統中，各線程可以交替的佔用CPU,在多CPU的電腦系統中，各線程可以同時佔用不同的CPU，若各個CPU同時為一個進程內的各線程服務則可縮短進程的處理周期。

(2)線程的基本狀態

線程也有就緒、阻塞和運行三種狀態。

執行狀態表示線程正在獲得處理機而運行

就緒狀態指線程已具備了各種執行條件，一旦獲得CPU便可執行檔狀態

阻塞狀態指線程在執行中因某事件而受阻，處於暫停執行的狀態。

2、線程與進程的區別

1）調度

在傳統的作業系統中，擁有資源和獨立調度的基本單位都是進程。在引入線程的作業系統中，線程是獨立調度的基本單位，進程是擁有資源的基本單位。在同一進程中，線程的切換不會引起進程切換。在不同的進程中進行線程切換，如從一個進程內的線程切換到另一個進程中的線程時，會引起進程切換。

2）擁有資源

不論是傳統的作業系統還是擁有線程的作業系統，進程都是擁有資源的基本單位，而線程不擁有資源（只有一點必不可少的資源），但線程可以訪問其隸屬進程的系統資源。

3）並發性

在引入線程的作業系統中，不僅進程間可以並發執行，同一進程內的多個線程間也可以並發執行，從而使作業系統具有更好的並發性，提高了系統輸送量。

4）系統開銷

由於建立或撤銷進程時，系統都要為之分配或回收資源，如記憶體空間、IO裝置等，因此作業系統所付出的開銷遠大於建立或撤銷線程時的開銷。類似的，進行進程切換時，涉及當前執行過程CPU環境的儲存及新調度到進程CPU環境的設定，而線程切換隻需要儲存和設定少量的寄存器內容，開銷很小。此外，由於同一進程內的多個線程共用進程的地址空間，因此，這些線程之間的同步與通訊非常容易實現，甚至無需作業系統的幹預。

5）地址空間和其它資源

進程的地址空間相互獨立，同一進程的各線程共用進程的資源，而進程內的線程對其它進程不可見。

6）通訊方面

處理序間通訊（IPC）需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證資料的一致性，而線程間可以直接讀/寫進程資料區段（如全域變數）來進行通訊。

3、線程的同步與互斥

線程同步的方法主要有以下四種：

-------1）臨界區(Critical Section)：通過臨界區實現多個線程對同一公用資源或一段代碼的串列訪問，速度快，適合控制資料的訪問。    

      保證某一時刻只有一個線程訪問某一資源的簡便方法。任意時刻只允許一個線程對資源的訪問。如果同一時刻由多個線程試圖訪問臨界區，則其中一個線程進入臨界區後，其它線程將會被掛起等待，並一直持續到該線程退出臨界區。當臨界區被釋放後，其它線程可以搶佔，並以此達到原子方式操作共用資源的目的。

      臨界區的兩個原語：EnterCriticalSection() 進入臨界區；LeaveCriticalSection()退出臨界區。

-------2）互斥量(Mutex)：通過協調線程共同對一個共用資源的單獨訪問而設計。 

      互斥量跟臨界區很相似，只有擁有互斥對象的線程才具有訪問資源的許可權。由於互斥對象只有一個，因此就決定了同時只有一個線程擁有對資源的存取權限。當前佔據資源的線程在任務處理完成後交付互斥對象，以便其它線程可以擁有該互斥對象實現對資源的控制訪問。互斥量比臨界區複雜，互斥量不僅可以實現同一應用程式的不同線程間的同步，而且可以實現不同程式間線程的對資源的安全共用。

      互斥量包含的幾個操作原語：

          CreateMutex()建立互斥量

          OpenMutex()開啟互斥量

          ReleaseMutex()釋放互斥量

          WaitForMultipleObjects() 等待互斥對象

-------3）訊號量(Semaphores)：可以控制有限使用者對同一資源的的訪問而設計；

      訊號量對線程同步的方法與前幾種不同，訊號量允許多個線程同時使用共用資源，這與作業系統中的PV操作相同。它指出了同時訪問共用資源的最大線程數目。它允許多個線程在同一時刻訪問同一資源，但是限制了同一時刻訪問資源的最大線程數目。在用CreateSemaphore（）建立訊號量時，要同時指出允許訪問的最大資源基數和當前可用資源計數。一般把當前可用資源計數作為最大資源計數，即每增加一個線程對資源的訪問相應的資源計數就會減一，只要當前可用資源計數是大於0的，就可以發出訊號量訊號。但是當前可用資源減小到小於0時，則說明當前佔用資源的線程數目已經達到最大，不允許線程的繼續進入，此時訊號量也無法發出。當線程處理完資源後，應該離開的同時通過ReleaseSemaphore()使資源計數加1。在任何時候當前可用資源數目不可用大於最大資源數目。

       PV操作是由荷蘭科學家提出的。訊號量S是一個整數，當S大於等於0時，代表可給並發進程使用的資源實體，但S小於零正在等待使用共用資源的數目。

       P操作申請資源：

         （1）S減1

         （2）若S減1後仍大於等於0，則進程繼續；

         （3）若S減1後小於0，則進程被阻塞後放入該訊號相應的隊列中，然後轉入進程調度；

       V操作釋放資源：

        （1）S加1操作；

        （2）若S加1後大於0，則進程繼續執行；

        （3）若S加1小於等於0，則從訊號量的等待隊列中喚醒一個等待進程，然後再返回原進程繼續執行或轉入進程調度。

      訊號量包含的幾個操作原語：

         CreateSemphore()建立一個訊號量；

         OpenSemphore（）開啟一個訊號量；

         ReleaseSemaphore（）退出一個訊號量；

         WaitForSingleObject()等待一個訊號量

------4）事件(Event)：通過通知線程的有一些事件已經發生，從而可以啟動後續的任務執行。

      事件對象也可以通過通知操作的方式保持線程同步，可以實現不同進程中的線程同步操作；

總結：

      1）互斥量與臨界區的作用非常相似。但互斥量是可以命名的，也就是說可以擴進程使用，所以建立互斥所需的資源更多，所以如果為了在進程內部使用的話，可以通過臨界區來提高速度上的優勢，並且可以減少資源的使用。互斥量是跨進程的，一旦被建立就可以通過名字開啟。 

     2）互斥量、訊號量和事件都可以被跨越進程來進行進程同步資料操作，而其他的對象與資料同步操作無關，但對於進程和線程來講，如果進程和線程在運行狀態為無訊號狀態，在退出後為有訊號狀態。所以可以使用WaitForSingleObject來等待進程和線程退出。 

     3）通過互斥量可以指定資源獨佔的方式使用，但如果有下面一種情況，訊號量就無法處理，比如一個使用者購買了一份三個並發訪問許可的資料可系統，可以根據使用者購買的訪問許可數量來決定由多少個線程/進程能同時進行資料庫操作，這時候如果利用互斥量就沒有辦法完成請求，可以使用訊號量。

4、死結產生的原因以及如何避免死結

   

    產生死結的主要原因是

             1）系統資源不足

             2）進程運行推進的順序不合適

             3）資源分派不當

    產生死結的4個必要條件

             1）互斥條件：一個資源每次只能被一個進程使用

             2）請求與保持條件：一個進程因請求資源而被阻塞時，對已獲得的資源保持不放

             3）不剝脫條件：進程已獲得的資源在未使用完之前不被強行剝奪

             4）迴圈等待條件：若干進程之前形成一種頭尾相接的迴圈等待資源關係

    如何避免死結

             在系統設計進程調度等方面注意不讓這四個條件成立，確定資源的合理分配演算法，避免進程永久佔據系統資源。