程序與線程

文章目錄

• 程序基本概念
• 線程基本概念
• 兩者的差別
• 程序間的通信
• 線程間的通信

程序基本概念

程序是對運作時程式的封裝，是系統進行資源排程和配置設定的基本機關，實作作業系統的并發。

線程基本概念

• 線程是程序的子任務，是cpu排程和配置設定的基本機關，用于保證程式的實時性，實作程序内的并發；
• 線程是作業系統的可識别的最小執行和排程的機關。
• 每個線程都獨立占用一個虛拟處理器：獨立的寄存器組，指令計數器和處理器狀态。
• 每個線程完成不同的任務，但是共享同一位址空間（也就是同樣的動态記憶體，映射檔案，目标代碼等等），打開的檔案隊列和其他核心資源

兩者的差別

\	程序	線程
兩者的聯系	一個程序可以有多個線程，但至少有一個線程	線程依賴程序存在，一個線程隻能屬于一個程序
記憶體空間	擁有獨立的記憶體空間	多個線程共享該程序的所有資源，共享代碼段（代碼和常量），資料段（全局變量和靜态變量），擴充段（堆存儲）。但是每個線程擁有自己的棧段（運作時段，用來存放所有局部變量和臨時變量）
與系統關系	是資源配置設定的最小機關	是cpu排程的最小機關
系統開銷	由于在建立或撤銷程序時，系統都會為之配置設定和回收資源，是以作業系統為程序所付出的開銷遠大于線程，類似地，在進行程序切換時，涉及到整個目前程序CPU環境的儲存以及新被排程運作的程序的CPU環境的設定。	而線程切換隻須儲存和設定少量寄存器的内容，并不涉及存儲器管理方面的操作。可見，程序切換的開銷也遠大于線程切換的開銷。
通信	程序間通信比較複雜	同一程序的線程由于共享代碼段和資料段，是以通信比較容易。
程式設計調試難度	程式設計調試簡單可靠性高，但是建立銷毀開銷大	線程正相反，開銷小，切換速度快，但是程式設計調試相對複雜。
穩定性	一個程序崩潰，不會對其他程序産生影響；	而一個線程崩潰，會讓同一程序内的其他線程也死掉。

程序間的通信

通信方式	概述	特點
1，管道	管道主要包括無名管道和命名管道	管道可用于具有親緣關系的父子程序間的通信
1.1 普通管道PIPE	它是半雙工的（即資料隻能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端	1. 它隻能用于具有親緣關系的程序之間的通信（也是父子程序或者兄弟程序之間）2.它可以看成是一種特殊的檔案，對于它的讀寫也可以使用普通的read、write等函數。但是它不是普通的檔案，并不屬于其他任何檔案系統，并且隻存在于記憶體中。
1.2 命名管道FIFO	FIFO可以在無關的程序之間交換資料	FIFO有路徑名與之相關聯，它以一種特殊裝置檔案形式存在于檔案系統中。
系統IPC	包括消息隊列、信号量、信号、共享記憶體
消息隊列	是消息的連結表，存放在核心中。一個消息隊列由一個辨別符（即隊列ID）來标記。 (消息隊列克服了信号傳遞資訊少，管道隻能承載無格式位元組流以及緩沖區大小受限等特點)具有寫權限得程序可以按照一定得規則向消息隊列中添加新資訊；對消息隊列有讀權限得程序則可以從消息隊列中讀取資訊；	1）消息隊列是面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及特定的優先級。2）消息隊列獨立于發送與接收程序。程序終止時，消息隊列及其内容并不會被删除。3）消息隊列可以實作消息的随機查詢,消息不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取。
信号量	它是一個計數器，可以用來控制多個程序對共享資源的通路。信号量用于實作程序間的互斥與同步，而不是用于存儲程序間通信資料。	1）信号量用于程序間同步，若要在程序間傳遞資料需要結合共享記憶體。2）信号量基于作業系統的 PV 操作，程式對信号量的操作都是原子操作。3）每次對信号量的 PV 操作不僅限于對信号量值加 1 或減 1，而且可以加減任意正整數。4）支援信号量組。
信号	比較複雜	用于通知接收程序某個事件已經發生。
共享記憶體	它使得多個程序可以通路同一塊記憶體空間，不同程序可以及時看到對方程序中對共享記憶體中資料得更新。這種方式需要依靠某種同步操作，如互斥鎖和信号量等	(1）共享記憶體是最快的一種IPC，因為程序是直接對記憶體進行存取 (2）因為多個程序可以同時操作，是以需要進行同步(3）信号量+共享記憶體通常結合在一起使用，信号量用來同步對共享記憶體的通路
套接字socket	socket也是一種程序間通信機制，與其他通信機制不同的是，它可用于不同主機之間的程序通信。

線程間的通信

• 臨界區：通過多線程的串行化來通路公共資源或一段代碼，速度快，适合控制資料通路；
• 互斥量Synchronized/Lock：采用互斥對象機制，隻有擁有互斥對象的線程才有通路公共資源的權限。因為互斥對象隻有一個，是以可以保證公共資源不會被多個線程同時通路
• 信号量Semphare：為控制具有有限數量的使用者資源而設計的，它允許多個線程在同一時刻去通路同一個資源，但一般需要限制同一時刻通路此資源的最大線程數目。
• 事件(信号)，Wait/Notify：通過通知操作的方式來保持多線程同步，還可以友善的實作多線程優先級的比較操作