第7章 多线程

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7.1.3 并发程序设计
1. 顺序程序设计 顺序程序设计(sequential programming)
顺序程序设计方法： 顺序程序设计方法：把一个程序设计成一个顺序执行的程序 模块，不同程序也是按序执行的。 模块，不同程序也是按序执行的。 顺序程序设计的特性： 顺序程序设计的特性： 执行的顺序性 环境的封闭性 执行结果的确定性 计算结果的可再现性 顺序程序设计的顺序性、封闭性、 顺序程序设计的顺序性、封闭性、确定性和再现性表明了 程序与计算(程序的执行)是一一对应的，给程序的编制、 程序与计算(程序的执行)是一一对应的，给程序的编制、 调试带来很大方便， 缺点是计算机系统效率不高 计算机系统效率不高。 调试带来很大方便，其缺点是计算机系统效率不高。
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7.1.1 进程
1. 进程的定义和属性
动态性—进程是程序在数据集合上的一次执行过程， 动态性 进程是程序在数据集合上的一次执行过程，是 进程是程序在数据集合上的一次执行过程 动态概念，它有生命周期，由创建而产生， 动态概念，它有生命周期，由创建而产生，由调度二执 由撤销而消亡。而程序是一组有序指令序列， 行，由撤销而消亡。而程序是一组有序指令序列，是静 态概念，程序作为一种系统资源是永久存在的。 态概念，程序作为一种系统资源是永久存在的。 独立性—进程既是系统中资源分配和保护的基本单位， 独立性 进程既是系统中资源分配和保护的基本单位， 进程既是系统中资源分配和保护的基本单位 也是系统调度的独立单位(单线程进程) 也是系统调度的独立单位(单线程进程)。凡是未建立进 程的程序，都不能作为独立单位参与运行。 程的程序，都不能作为独立单位参与运行。每个进程都 可以各自独立的速度在CPU上推进。 CPU上推进 可以各自独立的速度在CPU上推进。
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7.1.2 线程
2. 线程的定义和属性
线程(thread)：操作系统进程中能够独立执行的实体(控制流)， ：操作系统进程中能够独立执行的实体(控制流) 线程 是处理器调度和分派的基本单位。 是处理器调度和分派的基本单位。 线程是进程的组成部分，每个进程内允许包含多个并发执 线程是进程的组成部分， 行的线程。 行的线程。同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间 和资源，但不拥有资源。 和资源，但不拥有资源。
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7.1.2 线程
线程调度采用剥夺方式， 线程调度采用剥夺方式，当一个线程正在一个处理器上执 行时，操作系统可以根据规定的原则剥夺它的处理器， 行时，操作系统可以根据规定的原则剥夺它的处理器，而 把处理器分给其他线程使用。 把处理器分给其他线程使用。 剥夺原则：一是高优先级线程剥夺低优先级线程运行； 剥夺原则：一是高优先级线程剥夺低优先级线程运行； 二是当运行线程时间使用完后被剥夺处理器。 二是当运行线程时间使用完后被剥夺处理器。 可以避免一个线程长时间独占处理器， 可以避免一个线程长时间独占处理器，能给线程提供较好 的服务。 的服务。
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7.1.2 线程
1. 引入线程机制的动机和思路 线程机制的基本思路：把进程的两项功能——“独立分配 线程机制的基本思路：把进程的两项功能 独立分配
资源” 资源”和“被调度分派执行”分离，前一项任务仍由进程完 被调度分派执行”分离， 成， 后一项任务交给称为线程的实体完成。 后一项任务交给称为线程的实体完成。 这样，进程作为系统资源分配与保护的独立单位， 这样，进程作为系统资源分配与保护的独立单位，不需要频 繁地切换；线程作为系统调度和分派的的基本单位， 繁地切换；线程作为系统调度和分派的的基本单位，会被频 繁地调度和切换。 繁地调度和切换。
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7.1.1 进程
1. 进程的定义和属性
并发性—进程可以并发地执行， 并发性 进程可以并发地执行，进程的并发性能够提高资 进程可以并发地执行 源利用率和系统效率。 源利用率和系统效率。进程的并发性是指一组进程的执行 在时间上是重叠的。对于一个单处理器的系统来说， 在时间上是重叠的。对于一个单处理器的系统来说，m个 进程P 是轮流占用处理器并发地执行。因此， 进程 1, P2, …, Pm是轮流占用处理器并发地执行。因此， 进程的执行是可以被打断的， 进程的执行是可以被打断的，进程执行完一条指令后在执 行下一条指令前，可能被迫让出处理器， 行下一条指令前，可能被迫让出处理器，由其他若干进程 执行若干条指令后才能再次获得处理器而执行。 执行若干条指令后才能再次获得处理器而执行。 制约性—并发进程之间存在着制约关系， 制约性 并发进程之间存在着制约关系，进程在进行的 并发进程之间存在着制约关系 关键点上需要相互等待或互通消息， 关键点上需要相互等待或互通消息，以保证程序执行的 可再现性和计算结果的唯一性。 可再现性和计算结果的唯一性。
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第7章 多线程 章
学习目标： 学习目标：
掌握创建、管理和控制Java线程对象的方法； 线程对象的方法； 1. 掌握创建、管理和控制 线程对象的方法 2. 了解并发执行的多线程间存在的各种不同关系； 了解并发执行的多线程间存在的各种不同关系； 3. 掌握实现线程互斥和线程同步的方法。 掌握实现线程互斥和线程同步的方法。
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第7章 多线程 章
Java支持多线程的并发程序设计。Java语言提 支持多线程的并发程序设计。 支持多线程的并发程序设计 语言提 供线程类和接口，用于创建、管理和控制线程对象。 供线程类和接口，用于创建、管理和控制线程对象。
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第7章 多线程 章
7.1 操作系统中的进程和线程 7.2 Java的线程对象 的线程对象 7.3 线程的同步机制
新建态 选中 落选 就绪态 等待事件结束 出现等待事件 等待态 （阻塞） 运行态 终止态
线程的5种状态及状态转换 图7.2 线程的 种状态及状态转换
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7.1.2 线程
4. 线程的并发性
在单处理器上，一组线程的执行在时间上是重叠的， 在单处理器上，一组线程的执行在时间上是重叠的， 它们的操作是交叉执行的，称这些线程是并发执行的。 它们的操作是交叉执行的，称这些线程是并发执行的。 从宏观上看， 从宏观上看，并发性反映出一个时间段中有几个线程都处于运 行还未运行结束状态，且这些线程都在同一个处理器上运行； 行还未运行结束状态，且这些线程都在同一个处理器上运行； 从微观上看， 任一时刻仅有一个线程在处理器上运行。 从微观上看， 任一时刻仅有一个线程在处理器上运行。 并发的实质是一个处理器在多线程之间的多路复用， 并发的实质是一个处理器在多线程之间的多路复用，并发是 是一个处理器在多线程之间的多路复用 对有限的物理资源强制行使多用户共享， 对有限的物理资源强制行使多用户共享，消除计算机部件之 间的互等现象，以提高系统资源利用率。 间的互等现象，以提高系统资源利用率。
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7.1.2 线程
线程的主要特性： 线程的主要特性：
动态性—线程是程序在相应数据集合上的一次执行过程， 动态性 线程是程序在相应数据集合上的一次执行过程， 线程是程序在相应数据集合上的一次执行过程 它有生命周期，也经历各种状态变化，由创建而产生， 它有生命周期，也经历各种状态变化，由创建而产生，至 撤销而消亡。每个进程被创建时， 撤销而消亡。每个进程被创建时，至少同时为其创建一个 线程，需要时线程再创建其他线程。进程的终止将导致进 线程，需要时线程再创建其他线程。 程中所有线程终止。 程中所有线程终止。 结构性—线程是操作系统中的基本调度和分派单位， 结构性 线程是操作系统中的基本调度和分派单位，因此 线程是操作系统中的基本调度和分派单位 它具有唯一的标识符和线程控制块， 它具有唯一的标识符和线程控制块，其中包含调度所需的 一切私有信息。 一切私有信息。
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7.1.2 线程
多线程进程 线程1 进程控制块 线程控制块 用户 堆栈 系统 堆栈 线程N 线程控制块 用户 堆栈 系统 堆栈
……
用户地址空间
图7.1
多线程进程模型
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7.1.2 线程
线程的主要特性： 线程的主要特性：
并发性—同一进程的多个线程可在一个/多个处理器上并 并发性 同一进程的多个线程可在一个/ 同一进程的多个线程可在一个 发或并行地执行， 发或并行地执行，而进程之间的并发执行演变为不同进 程的线程之间的并发执行。 程的线程之间的并发执行。 共享性—同一个进程中的所有线程共享但不拥有进程的 共享性 同一个进程中的所有线程共享但不拥有进程的 状态和资源，且驻留在进程的同一个主存地址空间中， 状态和资源，且驻留在进程的同一个主存地址空间中， 可以访问相同的数据。所以， 可以访问相同的数据。所以，线程之间需要有通信和同 步机制。 步机制。
ห้องสมุดไป่ตู้16
7.1.2 线程
5. 线程调度
问题：当有多个线程处于就绪态时， 问题：当有多个线程处于就绪态时，它们排队等待处理器 资源。对于单处理器， 资源。对于单处理器，任一时刻只有一个线程能够 占用处理器执行。因此， 占用处理器执行。因此，按什么原则决定就绪队列 中的哪个线程能获得处理器则是操作系统的重要问 这就是线程调度的任务。 题，这就是线程调度的任务。 线程调度的功能： 线程调度的功能： 按照某种原则选择一个线程使它获得处理器运行。 按照某种原则选择一个线程使它获得处理器运行。
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7.1 操作系统中的进程和线程
7.1.1 进程 7.1.2 线程 7.1.3 并发程序设计
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7.1.1 进程
1. 进程的定义和属性
进程(process)：一个可并发执行的具有独立功能的程序关于 ： 进程 某个数据集合的一次执行过程， 某个数据集合的一次执行过程，也是操作系 统进行资源分配和保护的基本单位。 统进行资源分配和保护的基本单位。 结构性—进程包含了数据集合和运行于其上的程序。每个 结构性 进程包含了数据集合和运行于其上的程序。 进程包含了数据集合和运行于其上的程序 进程至少由三要素组成：程序块、数据块和进程控制块。 进程至少由三要素组成：程序块、数据块和进程控制块。 进程控制块(Process Control Block, PCB)用于描述和记录 进程控制块 用于描述和记录 进程的动态变化过程使进程能正确运行。 进程的动态变化过程使进程能正确运行。 共享性—同一程序同时运行于不同数据集合上时构成不同 共享性 同一程序同时运行于不同数据集合上时构成不同 的进程，或者说，多个不同的进程可以共享相同的程序。 的进程，或者说，多个不同的进程可以共享相同的程序。 所以，程序和进程不是一一对应的。 所以，程序和进程不是一一对应的。