《操作系统导论》第26章读书笔记：并发：介绍

—— 杭州 2024-04-18 夜

0.前言

• 多线程(multi-threaded)：程序会有多个执行点(多个程序计数器，每个都用于取指令和执行)。
• 换一个角度来看，每个线程类似于独立的进程，只有一点区别：他们共享地址空间，从而能够访问相同的数据。
• 单个线程的状态与进程状态非常类似。
• 每个线程有自己的一组用于计算的寄存器。
• 上下文切换(context switch)、进程控制块（Process Control Block，PCB)
• 与进程相比，线程之间的上下文切换有一点主要区别：地址空间保持不变。(即不需要切换当前使用的页表)
• 另一个主要区别：在简单的传统进程地址空间模型 [我们现在可以称之为单线程（single-threaded）进程] 中，只有一个栈，通常位于地址空间的底部。然而，在多线程的进程中，每个线程独立运行，当然可以调用各种例程来完成正在执行的任何工作。不是地址空间中只有一个栈，而是每个线程都有一个栈。
• ，可以看到两个栈跨越了进程的地址空间。因此，所有位于栈上的变量、参数、返回值和其他放在栈上的东西，将被放置在有时称为线程本地（thread-local）存储的地方，即相关线程的栈。

1.实例：线程创建(略)

2.为什么更糟糕：共享数据(略)

3.核心问题：不可控的调度

• 竞态条件(race condition)：结果取决于代码的时间执行。
• 临界区(critical section)：由于执行这段代码的多个线程可能导致竞争状态，因此我们将此段代码称为临界区（critical section）。临界区是访问共享变量（或更一般地说，共享资源）的代码片段，一定不能由多个线程同时执行。
• 互斥(mutual exclusion):这个属性保证了如果一个线程在临界区内执行，其他线程将被阻止进入临界区。

4.原子性愿望

• 原子方式(atomically)：硬件保证它以原子方式（atomically）执行。当指令执行时，它会像期望那样执行更新。它不能在指令中间中断，因为这正是我们从硬件获得的保证：发生中断时，指令根本没有运行，或者运行完成，没有中间状态。
• 原子方式的意思是“作为一个单元”，有时我们说“全部或没有”。
• 我们要做的是要求硬件提供一些有用的指令，可以在这些指令上构建一个通用的集合，即所谓的同步原语（synchronization primitive）。通过使用这些硬件同步原语，加上操作系统的一些帮助，我们将能够构建多线程代码，以同步和受控的方式访问临界区，从而可靠地产生正确的结果—— 尽管有并发执行的挑战。
• 临界区（critical section）：是访问共享资源的一段代码，资源通常是一个变量或数据结构。
• 竞态条件（race condition）：出现在多个执行线程大致同时进入临界区时，它们都试图更新共享的数据结构，导致了令人惊讶的（也许是不希望的）结果。
• 不确定性（indeterminate）：程序由一个或多个竞态条件组成，程序的输出因运行而异，具体取决于哪些线程在何时运行。这导致结果不是确定的（deterministic），而我们通常期望计算机系统给出确定的结果。
• 互斥（mutual exclusion）原语：为了避免这些问题，线程应该使用某种互斥（mutual exclusion）原语。这样做可以保证只有一个线程进入临界区，从而避免出现竞态，并产生确定的程序输出。

5.还有一个问题：等待另一个线程

• 两种交互：
  • 第一种交互——访问共享变量：因此需要为临界区支持原子性。
  • 第二种交互——睡眠/唤醒交互的机制：即一个线程在继续之前必须等待另一个线程完成某些操作。例如，当进程执行磁盘I/O 并进入睡眠状态时，会产生这种交互。当I/O 完成时，该进程需要从睡眠中唤醒，以便继续进行。
• 条件变量（condition variable）。
• 将一系列动作原子化（atomic）背后的想法可以简单用一个短语表达：“全部或没有”。看上去，要么你希望组合在一起的所有活动都发生了，要么它们都没有发生。不会看到中间状态。有时，将许多行为组合为单个原子动作称为事务（transaction），这是一个在数据库和事务处理世界中非常详细地发展的概念。