跳到主要内容

线程与并发

并发 (Concurrency) 是同时执行多个任务的能力。虽然进程提供了高度的隔离，但线程 (Thread) 允许在单个地址空间内实现轻量级的并行。

线程与进程​

进程是资源的容器，而线程是执行的单位。

特性进程 (Process)线程 (Thread)
内存独立的地址空间与同级线程共享地址空间
通信IPC（由内核协调）直接访问共享变量
创建成本高（内存、文件描述符等）低（仅需栈、寄存器）
切换成本高（刷新 TLB、更换 MMU 状态）低（上下文保留在同一进程中）
隔离性高（一个崩溃不会影响其他进程）低（一个崩溃可能导致整个进程结束）

线程模型​

现代操作系统支持两类线程：

  • 用户线程 (User Threads)：由库（如 Pthreads）管理，内核不可知。
  • 内核线程 (Kernel Threads)：由操作系统直接管理和调度。

多线程模型​

  • 多对一 (Many-to-One)：所有用户线程映射到一个内核线程。（如果一个线程等待 I/O，所有线程都会阻塞）。
  • 一对一 (One-to-One)：每个用户线程映射到自己的内核线程。（Linux 和 Windows 采用此模型）。
  • 多对多 (Many-to-Many)：一个用户线程池映射到一个内核线程池。

并发问题​

临界区 (Critical Section)​

访问共享资源（如全局变量）的代码块。一次只能有一个线程在临界区内执行。

竞态条件 (Race Condition)​

结果取决于多个线程的相对时间或交错执行。这发生在两个或多个线程在没有适当同步的情况下访问共享数据时。

死锁 (Deadlock)​

两个或多个线程永久阻塞，每个都在等待另一个持有的资源。

同步原语 (Synchronization Primitives)​

操作系统和硬件提供工具来协调对共享资源的访问。

  • 互斥锁 (Mutex - Mutual Exclusion)：一种简单的二进制锁。一次只能有一个线程持有。
  • 信号量 (Semaphore)：基于计数器的锁。如果计数 > 0，则允许访问。可用于资源计数。
  • 条件变量 (Condition Variable)：允许线程等待直到满足特定的逻辑条件。
  • 自旋锁 (Spinlock)：线程“忙等”（在循环中自旋）直到锁可用的锁。适用于内核代码中的短时间等待。

死锁问题​

必要条件 (Coffman Conditions)​

死锁发生必须同时满足以下四个条件：

  1. 互斥 (Mutual Exclusion)：资源不可共享。
  2. 持有并等待 (Hold and Wait)：线程持有一个资源并等待另一个资源。
  3. 不可抢占 (No Preemption)：不能强行夺走资源。
  4. 循环等待 (Circular Wait)：一组线程陷入循环等待。

死锁管理​

  • 预防 (Prevention)：构建系统使至少一个 Coffman 条件不可能成立（例如：强制资源排序）。
  • 避免 (Avoidance)：动态决定资源请求是否会导致不安全状态（例如：银行家算法 (Banker's Algorithm)）。
  • 检测与恢复 (Detection & Recovery)：允许死锁发生，检测它们（使用等待图），并打破循环（例如：终止一个进程或抢占资源）。