计算机体系结构—多线程技术

概念
即使处理器同一时间只能运行一个线程，操作
系统也可以通过快速的在不同线程之间进行切
换，由于时间间隔很小，来给用户造成一种多 个线程同时运行的假象。
软件多线程
硬件多线程
对称多处理机（SMP）系统具有多个处理器， 所以具有真正的同时执行多个线程的能力；
02
多进程和多线程
举例 PC – 餐厅 进程 – 餐桌 线程 – 顾客 单进程单线程： 单进程多线程：
运行，但任一个时刻点上只有一个程序在处理机上运行
并行
指两个或两个以上事件（或线程）在同一时刻发生，是真正意义上的不同事件或线程在同一时刻，同时执行。存在竞 争、等待
并发：两个队列交替使用一台咖啡机。并行：两个队列同时使用两台咖啡机。串行：一个队列使用一台咖啡机
多线程编程
并发
1.只有一个CPU资源，程序之间要竞争得到执行机会 2.都有排队等候、唤醒、执行等步骤，宏观同时，微观不同时 3.同一时刻到达的请求会根据优先级先后进入队列排队
04
多线程编程
多线程编程
为什么要多线程程序设计
1）某些应用具有内在的多个控制流结构，这些控制流具有合作性质，需要共享内存，采用多线程易于对问题建模，
从而得到最自然的解决算法； 2）在需要多控制流的应用中，多线程比多进程在速度上具有绝对优势，统计测试表明，线程的建立速度比进程的建 立速度快100倍，进程内线程间的切换速度与进程间切换速度也有数量级之差； 3）采用多线程可以提高处理机与设备之间的并行性. 在单控制流情形下，启动设备的进程进入核心后将被阻塞，此时
（3）如果没有正确的保护措施，对共享数据的访问会造成数据的不一致和错误。
（4）竞争条件 若干进程并发地访问并且操纵共享数据的情况; 共享数据的值取决于哪个进程最后完成; 防止竞争条件，并发进程必须被同步.
多线程编程
多线程的执行：
除了PCB和用户地址 空间 ,每个线程还存 在独立的堆栈 ,包含 线程状态信息的线 程控制块 。一个进 程中的所有线程共 享其拥有的状态和 资源.它们驻留在相 同的地址空间 ,可以 存取相同的数据。 每个线程还应该具 有独立的PC、用来 保护还原现场的线 程上下文等。
并行
1.不存在竞争、等待概念
2.宏微观都是同时执行
多线程实现并发或并行——提高CPU的利用率
1.CPU比较繁忙，资源不足时，操作系统只为一个含有多线程的进程分配仅有的CPU资源，这些线程就会为自己 尽量多抢时间片，这就是通过多线程实现并发，线程之间会竞争CPU资源争取执行机会。
2.在CPU资源比较充足的时候，一个进程内的多线程，可以被分配到不同的CPU资源，这就是通过多线程实现并
进 程 or 线 程
多进程和多线程的选择
3.多角度对比：
进 程 or 线 程
03
多线程技术的应用
多线程计算
对于求解一些大数据量的计算问题，单线程逐步运算太过耗时，运用多 线程思想将计算问题分解成多个部分交由不同线程去处理，最终将各运算结 果综合方便得到最终答案。
如举例计算1+2+....+100,将整个计算划分为1+...25,26+..50,51+..75,76+100 四个部分，分别启用一个线程去处理4个相对简单的计算内容。在4部分计算 完成后将结果再作相加得到最终的运算结果。 主线程用于显示输出最终结果，子线程分别执行各自的计算内容。
生产者-消费者模型：
消费者线程消费资源，如果当前没有资源，则等待。生产 者线程不断生产资源，如果没有资源，则生产一个资源并 唤醒消费者线程。如果资源缓冲区已满，生产者线程同样
在游戏中的应用
1.在游戏开始时加载资源时，多线程是非常常用的。主界面显示等 待的画面，显示各玩家载入进度，多线程中这时正在进行游戏内各 种资源的加载(地图资源， 地图上各种对象的资源等) 右图为王者荣耀游戏载入画面。
2.在网络游戏中特别要求数据的实时性，众多玩家角色的实时动作、 各种地图对象资源的渲染和加载，还有玩家之间的通信交互，数据 交互等等都必须依靠多线程技术来完成。为了让玩家有更好地游戏 体验，必须采用多线程技术来同时处理各种信息来确保游戏画面、 数据等事实更新。 左图为九阴真经游戏画面
多线程编程
多线程的执行（单核CPU）：
单线程
多线程
多线程编程
互斥问题：
互斥，又称间接制约关系。系统中的某些共享资源，一次 只允许一个线程访问。当一个线程正在访问该资源时，其 它线程必须等待。
多线程环境下，进程仍然是系统分配资源的基本单位，但 是CPU调度的基本单元变成了线程。程序执行时随时可能
会切换执行的线程。
在游戏中的应用 客户端： 1.逻辑处理线程（对用户操作进行逻辑处理） 2.绘图线程（地图以及地图对象等图形渲染） 3.数据交互线程（用户与服务器数据库的交互） 4.事件监听线程（对用户操作和输入的实时监听） 5.资源/内存管理线程（对资源的实时分配和管理） 服务端： 1.数据处理线程(对接收到大量不同的客户端数据进行快速处理） 2.网络连接线程池（不同IP与游戏服务器的网络连接请求）
进 程 or 线 程
多进程和多线程的选择
2.通信机制：
线程间方便的通信机制。
对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只
能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。 线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个 线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。 但是，数据的共享带来同步、编程困难等问题，
多线程下载
多线程之分块下载文件 1.将所需下载文件平均分成N块 2.为每一块启用一个线程
3.各线程负责下载完自己内容
4.将下载完的N块作最终的合并
手机应用开发
在Android平台中多线程应用很广泛，在UI更新、游戏开发和耗时处 理(网络通信等)等方面都需要多线程技术。 当一个程序第一次启动的时候，Android会启动一个主线程。主线程 （Main Thread）主要负责处理与UI相关的事件，如：用户的按键事 件，用户接触屏幕的事件以及屏幕绘图事件，并把相关的事件分发 到对应的组件进行处理。 为了提供良好的用户体验，必须保证程序有高响应性，所以不能在 主线程中进行耗时的计算或IO操作。 当主线程正在做比较耗时的操作时，如正从网络上下载一个大图片， 或者访问数据库，由于主线程被这些耗时的操作阻，无法及时的响 应用户的事件，从用户的角度看会觉得程序已经死掉。 所以我们要创建单独的子线程，一些较费时的对象操作需交给独立 的线程去执行。 （但如果子线程来执行UI对象，Android就会发出错误信息 CalledFromWrongThreadException。）
多线程火车售票系统，用全局变量 i 存储剩余的票数。多 个线程不断地卖票，直到剩余票数为0。所有线程都要做 如右图的事情。多个线程会随时切换。假设当前车票只剩 1张（i为1），某个线程刚刚检测完i>0的条件，还没来得 及对i减1，CPU就切换到了另一个线程。切换回该线程后 车票已经为0，但该线程仍然认为车票有剩余。
发展：批处理操作
批处理操作：用户写下指令清单，计算机不断地去读取指令来进行相应的操作 问题：指令必须顺序执行，I/O密集型指令也会占着CPU，直到指令执行完毕 改进：需要多个程序“同时”执行、“同时”载入内存的能力
线 程 的 由 来
线程的由来
再发展：进程
进程：是程序执行时的一个实例，它是具有一定独立功能的程序在一个数据集上的 一次动态执行的过程； 对应一个程序，每个进程对应一定的内存地址空间； 特点：为进程切换、并发提供了可能，切换前会保存进程状态，便于恢复 问题：进程内的子任务只能顺序执行
线程的异步
线程在访问资源（或者处理耗时较长的数据）时，不必一直等待资源访问完成或者数据处理完，在等待期间线程可以 做其他事情，而当资源访问完成之后，会采取回调的方式执行相应的代码。
多线程编程
多线程带来的问题（并发问题）：
（1）由于线程共享同一进程的内存空间，多个线程可能需要同时访问同一个数据。 （2）对共享数据的并发访问可能导致数据的不一致性.
多线程编程
互斥问题：
多线程编程
解决互斥问题：
对资源上锁，在一定的时间内只允许某一个线程访问资源。
火车票为临界资源，while循环体为临界区。
为获得锁持有权的线程必须等待锁被释放，否则会被阻塞。
多线程编程
解决互斥问题：
多线程编程
同步问题：
同步，又称直接制约关系，多个线程为了合作完成任务， 必须严格按照规定的某种先后次序来运行（大多数情况下 是在互斥的基础上）。 生产者-消费者模型：
该进程的其它代码也不能执行. 若此时无其它可运行程序，处理机将被闲置. 多线程结构在一个线程等待时，其它线程
可以继续执行，从而使设备和处理机并行工作； 4）在多核环境下，多线程可以并行执行，既可提高资源利用效率，又可提高进程推进速度。
多线程编程
并发
在操作系统中，指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上
继续发展：线程
线程出现的原因：满足用户的实时性需求 线程：是进程的一个执行流，是比进程更小的能独立运行的基本单位， 共享进程所拥有的全部资源。 。
线 程 的 由 来
概念
①进程——资源分配的最小单位，线程——程序执行的最小单位
②进程让操作系统的并发性成为可能，而线程让进程的内部并发成为可能 ③一个进程由一个或多个线程组成，线程是一个进程中代码的不同执行路线 ④进程有独立的地址空间，线程没有单独的地址空间（同一进程内的线程共享进程的资源）
（吃饭快、容易抢）
一张餐桌、一位顾客
一张餐桌、多位顾客
多进程单线程：
（吃饭快、不容易抢、浪费资源）
多张餐桌、每张餐桌一位顾客