线程的管理

为什么需要线程管理

线程管理是对某个程序中全部线程的管理工作，当不同进程对同一资源进行操作时，可能会出现以下问题：

1. 安全性问题
2. 活跃性问题
3. 性能问题

为了使程序可以健壮，稳定，高效的运行，我们需要对线程进行管理。

安全性问题

那么线程的安全性问题是什么？对于程序来讲，在运行时发生错误就是不安全的。所以，对于线程来讲，安全性问题即运行结果的“正确性问题”。

最常见的例子就是：

1

count++；

这个操作其实分为三步：

1. 首先获取count的值；
2. 将count的值+1；
3. 将+1后的结果赋值给count；

当两个线程对同一count变量执行该操作时，由于执行顺序有很多种，所以会产生不同的结果，也就可能会产生错误的结果，这就是线程的安全性问题。

活跃性问题

什么是活跃性问题？当一个线程由于某些原因一直没有被执行，或者所分到的时间片非常少，那么这个线程就存在着活跃性问题。

常见的活跃性问题包括：死锁，饥饿，活锁。

死锁

线程A在等待B持有的某种资源（这里是锁），而线程B在等待A持有的某种资源，在没有获得自己想要的资源之前，线程A和线程B都不会主动的释放自己所持有的资源，于是就陷入了“死锁”；

形象一点来讲，就像是幼儿园的两个小朋友吵架了，两个小朋友心理都在想“哼！╭(╯^╰)╮如果你不道歉，我就不道歉”，于是局面就一直僵持着。

还有一种更简单的情况，也是死锁

有A和B两个线程，A和B运行都需要4份资源，总共有6份，此时A和B都获取了3份，此时两者都没有满足运行条件，则产生死锁

形成死锁的条件

• 互斥条件：一个资源只能由一个进程使用
• 部分分配条件：一个进程占有一定资源后，期间又在申请其他资源
• 不可抢占条件：一个资源只能被释放，不能被抢占
• 循环等待条件：一个进程占有若干资源，同时等待其他资源，多个进程形成循环等待链

利用银行家算法避免死锁

在银行家算法中，资源的分配是批量的，仅仅在申请者获得资源后可以运行，系统才会为其提供资源。

例如上述的例子，A和B两个线程，系统会一次性分配4份资源给A或B，让其执行。

等待图法检测死锁

如上图所示，P1等在P2占有的资源，P2等待P3……，当等待图中形成回路时，代表产生了死锁。

活锁

活锁概念：独木桥两个人互相让路。

在计算机中活锁的情况不太常见。这里就不展开讨论。

饥饿

人的饥饿是因为没有食物吃，而线程的饥饿时因为没有CPU时间片使用，产生这种情况的原因可能是：

• 线程的优先级太低
• CPU的调度算法存在问题，或者不适合该程序

性能问题

正如字面意义，如果存在性能问题，说明服务时间过长，相应不灵敏，吞吐量低等。

在线程方面出现这类问题的原因通常是“滥用锁”；

引入多线程的目的就是因为程序中的多种任务可以并行执行（参考单核多线程的CPU），但由于频繁加锁，或者锁的细粒度很大，会导致程序很长一部分时间都处于单线程状态，自然会产生性能问题。

如何解决上述问题

有两种经典有效的办法解决上述问题，“正确的”使用PV操作或管程。

• 对于安全性问题，产生的原因是不同线程对共享变量的操作时机不同，所以我们只需要保证某一时刻只有一个线程操作共享变量即可，即线程互斥；
• 对于活跃性问题，往往是由于某个线程不能得到他需要的某个资源，所以我们要做好“线程间的同步”工作，即线程同步；
• 对于性能问题，往往是由于“锁的滥用”，所以我们要尽量使用小粒度的锁。

PV操作和管程

PV操作

原语：所谓原语，即不可中断的执行过程

一，信号量

信号量：表示一种资源能否被使用。其数据结构表示如下

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6

semaphore{
    //正数时（包括0）表示可使用的资源个数，负数时，表示等待进程的个数
	int value;
    //进程的阻塞队列
	PCB* pointer;
}

注意，信号量只能只能三个操作

• 初始化
• 被P操作
• 被V操作

信号的设置，往往是针对操作的

二，P原语

P代表进程申请使用资源，申请后，资源的信号量value值-1

• 如果此时value<0，则将此进程插入到阻塞队列中
• 如果value在-1后≥0，则执行该进程

三，V原语

V代表进程归还（释放）资源，释放后，value值+1

• 如果+1后，value≤0，则说明原来是小于0的，说明阻塞队列中有等待资源的进程，+1代表释放一个资源，所以要执行一个阻塞队列中的进程
• 如果+1后，value＞0，则说明没有被阻塞的进程，只是归还一个待使用的资源而已

管程

管程可以看做是一个盒子，他把共享变量和对共享变量的操作封装到一起，并且盒子(管程)中只有一个位置，即同一时刻只允许一个进程进入管程。

这里可能看起来很抽象，具体的使用方法请参考下文。

进程互斥

什么是进程互斥？进程互斥就是不允许两个进程同时进入临界区（共享内存），去操作临界资源(共享资源)。

使用PV操作解决互斥问题

1. 定义信号量mutex，由于是实现互斥，所以初始值为1（表示只有一个资源可以被使用）
2. 使用P操作检测mutex
3. 使用V操作检测mutex

程序的实现大致如下：

1
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semaphore mutex;
mutex.value=1;

process pi{
......
P(mutex);
临界区代码......
V(mutex);
.......
}

使用管程解决互斥问题

如上图所示，由于管程中的预留位置为1，所以同一时刻只能有一个线程进入管程。那么管程是怎么保证只有一个的呢？ 因为管程使用了 入口等待队列 。要想进入管程就要先进入队列排队。

这样就保证了同一时刻只有一个线程操作共享变量，解决了线程互斥的问题。

进程同步

什么是进程的同步？同步表示不同进程种相互制约的执行关系。即要想执行某项任务，必须满足某个前提条件。

使用PV操作解决同步问题

同步的信号量往往是针对操作本身的（也就是说该操作是否可以被执行）

而互斥的信号量往往代表一种资源是否可以被使用

最常见的同步例子：生产者-消费者，缓冲区大小为n，消费者如果想要进行消费，那么商品队列中一定要有商品，具体实现如下：

使用管程解决同步问题

1. 首先假设消费者线程先进入管程中，要进行消费执行decrease操作的条件变量是full=true，但是当前条件不满足，于是此线程被加入到对应条件变量的等待队列中
2. 此时生产者线程进入，发现empty=true，于是执行increase操作
3. 在执行increase后，条件变量full=true，于是释放相应队列中的线程

同步和互斥结合

生产者-消费者（这里的缓冲区大小要求为K[k大于1]）

• 这里的同步指的是：
  • 消费者在消费前，队列中要有产品；
  • 生产者在生产前，产品队列不满；
• 互斥指的是对临界资源的互斥操作，既同一时刻只能有一个线程对产品队列进行操作