程序 線程

不管Java，C++都有程序、線程相關的内容。在這裡統一整理吧。

Python的線程，其實是僞線程，不能真正的并發。下面也有講。

線程自己基本上不擁有系統資源,隻擁有一點在運作中必不可少的資源(如程式計數器,一組寄存器和棧)。

多個線程共享記憶體。

　　　　程序：程序是程式的一次執行過程，是系統進行資源配置設定和排程的一個獨立機關。

　　　　程序實體（程序映像）：由程式段、相關資料段和PCB三部分構成。程序是動态的，程序實體是靜态的。

　　　　PCB（程序控制塊）：系統利用PCB來描述程序的基本情況和運作狀态，進而控制和管理程序；所謂建立程序，實際上是建立程序映像中的PCB；PCB是程序存在的唯一标志。

程序有5種狀态，其中前3種是基本狀态：

運作态、就緒态、阻塞态（等待态）。另兩種是建立态和終止态。

　　　　（1）配置設定ID與PCB：為新程序配置設定一個唯一的程序辨別号，并申請一個空白的PCB（PCB是有限的）。若PCB申請失敗則建立失敗。

　　　　（2）配置設定資源：為新程序的程式和資料、以及使用者棧配置設定必要的記憶體空間（在PCB 中展現）。注意：這裡如果資源不足（比如記憶體空間），并不是建立失敗，而是處于阻塞态。

　　　　（3）初始化PCB：主要初始化（1）标志資訊（2）處理機狀态資訊（3）處理機控制資訊，以及（4）設定程序的優先級等。

　　　　（4）排程：如果程序就緒隊列能夠接納新程序，就将新程序插入到就緒隊列，等待被排程運作。

　　　　注意，程序的建立是一個原子操作，執行期間不允許中斷，它是一個不可分割的基本機關。

　　　　引起程序終止的事件主要有：

　　　　（1）正常結束

　　　　（2）異常結束：如存儲區越界、非法指令、I/O故障等

　　　　（3）外界幹預：如操作員或作業系統幹預、父程序請求、父程序終止。

　　　　作業系統終止程序的過程如下：

　　　　（1）根據被終止程序的ID，檢索PCB，從中讀出該程序的狀态

　　　　（2）若被終止程序處于執行狀态，立即終止該程序的執行，将處理機資源配置設定給其他程序

　　　　（3）若該程序還有子程序，則應将其所有的子程序終止

　　　　（4）将該程序所擁有的資源，或歸還給其父程序或歸還給作業系統

　　　　（5）将該PCB從所在隊列（連結清單）中删除。

　　　　（1）儲存處理機上下文，包括程式計數器和其他寄存器。

　　　　（2）更新PCB資訊。

　　　　（3）把程序的PCB移入相應的隊列，如就緒、在某事件阻塞等隊列。

　　　　（4）選擇另一個程序執行，并更新其PCB。

　　　　（5）更新記憶體管理的資料結構。

　　　　（6）恢複處理機上下文。

　　　　注意：“排程”和“切換”的差別：排程是指決定資源配置設定給哪個程序的行為，是一種決策行為；切換是指實際配置設定的行為，是執行行為。一般來說，等有資源的排程，再有程序的切換。

　　　　線程是輕量化的程序，是程式執行流的最小機關；由線程ID、程式計數器、寄存器集合和堆棧組成；線程自己不擁有系統資源，隻擁有一點在運作中必不可少的資源，但它可與同屬一個程序的其他線程共享程序所擁有的全部資源。

　　　　（1）一個程式至少有一個程序,一個程序至少有一個線程。線程(Thread)是程序的一個實體，是CPU排程和分派的基本機關；

　　　　（2）程序擁有獨立的記憶體單元，而多個線程共享記憶體。進而線程效率更高；

　　　　（3）程序有獨立的位址空間，一個程序崩潰後，在保護模式下不會對其它程序産生影響，而線程沒有單獨的位址空間，一個線程死掉就等于整個程序死掉，是以多程序的程式要比多線程的程式健壯；

　　　　（4）程序切換時，耗費資源較大，效率要差一些；

　　　　（5）程序是系統資源配置設定的基本機關，線程是排程的基本機關。

線程獨有的内容：

線程上下文，包括線程ID、棧、棧指針、PC（程式計數器）、通用目的寄存器、條件碼。

線程共享的内容：

檔案描述符和整個使用者虛拟位址空間，包括隻讀文本（代碼）、靜态變量、堆、所有的共享庫代碼和資料區域組成。

　　　　（1）易于排程。

　　　　（2）提高并發性。通過線程可友善有效地實作并發性。程序可建立多個線程來執行同一程式的不同部分。

　　　　（3）開銷少。建立線程比建立程序要快，所需開銷很少。。

　　　　（4）利于充分發揮多處理器的功能。 

　　　　（1）線程之間的同步和加鎖控制比較麻煩

　　　　（2）一個線程的崩潰影響到整個程式的穩定性

　　　　（3）線程多了之後，線程本身的排程也是一個麻煩事兒，需要消耗較多的CPU 

線程可以是可結合的，或者是可分離的；

可結合的線程能夠被其他線程收回其資源和殺死。在被其他線程回收之前，它的存儲器資源（例如棧）是沒有被釋放的，相反一個分離的線程是不能被其他線程回收或殺死的。它的存儲器資源在它終止時由系統自動釋放；

為避免存儲器洩漏，每個可結合線程都應該被其他線程顯式地收回，要麼通過調用pthread_detach函數被分離；(對應于Java就是 Thread.join和Thread.detach )

預設情況下，線程被建立成可結合的。(注意：可結合是一種狀态，要調用join方法來進行結合/釋放)

來一個例子：

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列印結果：

三個線程，同時sleep了5秒鐘，然後整個程式才結束。

如果synchronized加在函數上，那麼是每個線程分别sleep 5秒鐘，一共sleep 15秒鐘。

　　　　（1）管道：半雙工；用于父子、兄弟之間。

　　　　（2）命名管道（FIFO）

　　　　（2）消息隊列：消息連結清單存于核心，每個消息隊列由消息隊列辨別符辨別；于管道不同的是，消息隊列存放在核心中，隻有在核心重新開機時才能删除一個消息隊列；消息隊列的大小受限制。

　　　　（3）信号量（semophore）：常用來處理臨界資源的通路同步問題。臨界資源：為某一時刻隻能由一個程序或線程操作的資源。

　　　　（4）共享記憶體：可以說是最有用的程序間通信方式，也是最快的IPC形式。

　　　　（5）套接字：也可用于不同機器之間。

　　　　（6）信号（Signal）

　　　　（1）臨界區：當多個線程通路一個獨占性共享資源時，可以使用臨界區對象。擁有臨界區的線程可以通路被保護起來的資源或代碼段，其他線程若想通路，則被挂起，直到擁有臨界區的線程放棄臨界區為止。

（注：Java的synchronized代碼段，也勉強可以算作臨界區，隻是語言标記互斥的實作方式；要通路代碼段，需要獲得傳給synchronized的Object這個對象的鎖。注意，每個java對象都隐含有一把鎖。 

Java GC需要的safe point，為了讓多個線程都停下來，标記的區域-其他線程不進來，裡面的線程出來了，就開始GC- 跟臨界區的思想也有一點像）

　　　　（2）互斥量-mutex：互斥對象和臨界區對象非常相似，隻是其允許在程序間使用，而臨界區隻限制與同一程序的各個線程之間使用。

　　　　（3）條件變量：一個線程被挂起，直到某件事件發生。

　　　　（4）信号量：當需要一個計數器來限制可以使用某共享資源的線程數目時，可以使用“信号量”對象。CSemaphore類對象儲存了對目前通路某一個指定資源的線程的計數值，該計數值是目前還可以使用該資源的線程數目。如果這個計數達到了零，則所有對這個CSemaphore類對象所控制的資源的通路嘗試都被放入到一個隊列中等待，直到逾時或計數值不為零為止。

　　　　（5）事件：允許一個線程在處理完一個任務後，主動喚醒另外一個線程執行任務。

　　　　（6）套接字

本文轉自 jiu~ 部落格園部落格，原文連結：http://www.cnblogs.com/jiu0821/p/8628160.html，如需轉載請自行聯系原作者