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Apr 15, 2023 03:23 PM
本章将介绍为单个运行进程提供的新抽象：线程（thread）。
经典观点是一个程序只有一个执行点（一个程序计数器，用来存放要执行的指令），但多线程（multi-threaded）程序会有多个执行点（多个程序计数器，每个都用于取指令和执行）。换一个角度来看，每个线程类似于
独立的进程，只有一点区别：它们共享地址空间，从而能够访问相同的数据。单个线程的状态与进程状态非常类似。
- 线程有一个
程序计数器（PC），记录程序从哪里获取指令。
- 每个线程有自己的一组
用于计算的寄存器。所以，如果有两个线程运行在一个处理器上，从运行一个线程（T1）切换到另一个线程（T2）时，必定发生上下文切换（context switch）。线程之间的上下文切换类似于进程间的上下文切换。
- 我们需要一个或多个
线程控制块（Thread Control Block，TCB），保存每个线程的状态。
- 与进程相比，线程之间的上下文切换有一点主要区别：地址空间保持不变（即不需要切换当前使用的页表）。
线程和进程之间的另一个主要区别在于栈。在简单的传统进程地址空间模型 [我们现在可以称之为单线程（single-threaded）进程] 中，只有一个栈，通常位于地址空间的底部。
在多线程的进程中，
- 每个线程
独立运行，当然可以调用各种例程来完成正在执行的任何工作。
每个线程都有一个栈。在图 中，可以看到两个栈跨越了进程的地址空间。因此，所有位于栈上的变量、参数、返回值和其他放在栈上的东西，将被放置在有时称为线程本地（thread-local）存储的地方，即相关线程的栈。
实例：线程创建
但请注意，这种排序不是唯一可能的顺序。实际上，给定一系列指令，有很多可能的顺序，这取决于调度程序决定在给定时刻运行哪个线程。例如，创建一个线程后，它可能会立即运行
如你所见，线程创建有点像进行函数调用。然而，并不是首先执行函数然后返回给调用者，而是为被调用的例程创建一个新的执行线程，它可以独立于调用者运行，可能在从创建者返回之前运行，但也许会晚得多。(不确定性)
从这个例子中也可以看到，线程让生活变得复杂：已经很难说出什么时候会运行了！
没有并发，计算机也很难理解。遗憾的是，有了并发，情况变得更糟，而且糟糕得多。
为什么更糟糕：共享数据
我们现在可以看看每个工作线程正在尝试做什么：向共享变量计数器添加一个数字，并在循环中执行 1000 万（107）次。因此，预期的最终结果是：20000000。
我们现在编译并运行该程序，观察它的行为。有时候，一切如我们预期的那样：
遗憾的是，即使是在单处理器上运行这段代码，也不一定能获得预期结果。有时会这样：
让我们再试一次，看看我们是否疯了。毕竟，计算机不是应该产生确定的（deterministic）
结果，像教授讲的那样？！也许教授一直在骗你？（大口地吸气）
每次运行不但会产生错误，而且得到不同的结果！有一个大问题：为什么会发生这种情况？
原子性愿望
我们要做的是要求硬件提供一些有用的指令，可以在这些指令上构建一个通用的集合，即所谓的
同步原语（synchronization primitive）。通过使用这些硬件同步原语，加上操作系统的一些帮助，将能够构建多线程代码，以同步和受控的方式访问临界区，从而可靠地产生正确的结果—— 尽管有并发执行的挑战。临界区（critical section）是访问共享资源的一段代码，资源通常是一个变量或数据结构。
竞态条件（race condition）出现在多个执行线程大致同时进入临界区时，它们都试图更新共享 的数据结构，导致了令人惊讶的（也许是不希望的）结果。
不确定性（indeterminate）程序由一个或多个竞态条件组成，程序的输出因运行而异，具体取 决于哪些线程在何时运行。这导致结果不是确定的（deterministic），而我们通常期望计算机系统给出确定的结果。
- 为了避免这些问题，线程应该使用某种
互斥（mutual exclusion）原语。这样做可以保证只有一 个线程进入临界区，从而避免出现竞态，并产生确定的程序输出。
参考
- 作者:GJJ
- 链接:https://blog.gaojj.cn/article/blog-44
- 声明:本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议，转载请注明出处。