_Linux多线程-基础篇

news2024/12/26 7:56:05

文章目录

  • 1. 什么是线程
    • Linux中的线程叫做轻量级进程（LWP）
  • 2. 线程的优点
  • 3. 线程的缺点
  • 4. 线程异常
  • 5. 线程用途
  • 6. Linux进程VS线程
    • 单进程
  • 7. 总结
    • 线程在进程内部执行是OS调度的基本单位。
    • 不同视角看待进程
    • 轻量级进程

1. 什么是线程

  • 在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）。更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序列”
  • 一切进程至少都有一个执行线程
  • 线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行。
  • 在Linux系统中，在CPU眼中，看到的PCB都要比传统的进程更加轻量化。
  • 透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流。
    在这里插入图片描述
    —(图片来源于于相关教材资料)

Linux中的线程叫做轻量级进程（LWP）

  • Linux没有真正意义上的线程结构，Linux是用进程pcb模拟的线程的!
  • Linux并不能直接给我们提供线程相关的接口，只能提供轻量级进程的接口!
    • 在用户层实现了一套用户层多线程方案以库的方式提供给用户进行使用pthread 线程库-- 原生线程库!

2. 线程的优点

  • 创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
    • 通过上图我们知道不需要创建额外的地址空间和页表。
  • 与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多。
      1. 相同的地址空间和页表，即不需要切换。
      1. CPU内部是有L1~L3 cache对内存的代码和数据，根据局部性原理，预读CPU内部! !如果，进程切换 cache就立即失效；新进程过来，只能重新缓存。
  • 线程占用的资源要比进程少很多
    • 通过上图我们知道每个task_struct可以看到相同的地址空间；那么通过一定的技术手段，将当前进程的”资源“，以一定的方式划分给不同的task struct。
  • 能充分利用多处理器的可并行数量
    • 可以同时通过多进程/多线程的方式取得多个任务，并以多进程或多线程的方式同时执行这些任务。
  • 在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务。
  • 计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
  • I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

3. 线程的缺点

  • 性能损失
    • 一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。
  • 健壮性降低
    • 编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。
  • 缺乏访问控制
    • 进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。
  • 编程难度提高
    • 编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多。

4. 线程异常

  • 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃。
  • 线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出。

5. 线程用途

  • 合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率。
  • 合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）。

6. Linux进程VS线程

  • 进程是资源分配的基本单位
  • 线程是调度的基本单位
  • 线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据
    • 线程ID
    • 一组寄存器
    • 栈
    • errno
    • 信号屏蔽字
    • 调度优先级

进程的多个线程共享 同一地址空间,因此Text Segment、Data Segment都是共享的,如果定义一个函数,在各线程
中都可以调用,如果定义一个全局变量,在各线程中都可以访问到,除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境:

  • 进程和线程的关系如下图:
    在这里插入图片描述

单进程

  • 具有一个线程执行流的进程。

7. 总结

线程在进程内部执行是OS调度的基本单位。

  • 线程在进程的地址空间内运行。
  • CPU其实不关心执行流是进程还是线程，只关心PCB。

不同视角看待进程

    1. 用户视角!!
    • 进程=内核数据结构(可能多个task_struct)+该进程对应的代码和数据
  • 内核视角:
    • 进程:承担分配系统资源的基本实体!
  • 在CPU视角
    • CPU其实不怎么关心当前是进程还是线程这样的概念，只认task struct。
      • task struct: 进程内部的一个执行过流!!即进程是内部具有多个执行流。
      • 进程是资源分配的基本单位
      • 线程是调度的基本单位

轻量级进程

  • 在Linux下PCB <= 其他OS内的PCB的!
  • Linux下的进程:统一称之为轻量级进程

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