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執行緒的來龍去脈,你了解嗎?

2020-09-17 23:42:16 後端開發

行程最近有些煩惱,整日愁眉苦臉的,拜訪記憶體的時候也有點心不在焉,

記憶體是個明眼人,開門見山的問道:“行程啊,最近遇到啥問題了?我看你最近情緒有點低落,有啥問題你就直接說出來嘛,我讓大家伙兒來一起幫你想想辦法,”

行程嘆了口氣,說道:“唉,最近不是說 CPU 單核頻率到瓶頸了嗎?人類就用多核芯來彌補單核處理器性能的不足,咱們的 CPU 不也升級到四核了嘛,”

“是啊,這是好事啊,現在最多能并行處理 4 個行程,效率比以前高多了,這還不好嗎?”記憶體疑惑的問,

“好是好,可我每次上 CPU 運行的時候,都忍不住去想,要是單核頻率不增加,我總的運行的時間不還是沒有什么變化嗎?以后的應用程式越來越大,越來越吃 CPU 資源,比如那些大型游戲行程,在短時間內需要進行大量計算,靠單核撐不住怎么辦,不談以后,就說說我自己,我也想能夠早點運行完,早點休息啊,”

tobe 注:很明顯單行程的運行時間是變小了的,不過這里主要強調的是行程占用 CPU 的時間,

記憶體點點頭,贊同道:“這個問題我倒是沒想到,多核處理器對單個行程確實不大友好,那咱得想辦法讓你能夠同時使用幾個核心,不過我一時間也想不到什么好辦法,還是和大家一起討論下吧,”

在討論會上,記憶體向大家說明了行程現在遇到的問題,

“一個行程怎么并行?”行程調度器第一個發出疑問:“我總不能把一個行程放在四個核上吧,這樣不僅毫無意義,還阻礙了其他行程的執行,”

作業系統見多識廣,說:“把行程一次放在幾個核上運行肯定是不可能的,我在想,咱們的目標,其實就是讓多個核心不沖突地幫助一個行程運行嘛,那我們就得把行程「拆開」,然后放在幾個核上,”

作業系統一邊說,一邊畫了張圖:

行程拆分

“你們看,假如說 fun1 和 fun2 這兩個函式互不關聯,我們就可以讓兩個核同時執行他們,這不就做到并行了嗎?”

“你的意思是說把一個行程拆成好幾個行程?”

作業系統搖搖頭:“不是拆成多個行程,行程切換的代價太大了,再說了,這些拆出來的函式,他們是共用一個地址空間的,天生就能夠資料共享,如果拆成行程,我們還得再考慮行程之間的通信問題,那多麻煩,不過為了跟行程區分,就叫他們「執行緒(Thread)」吧”

行程一驚,要把自己拆成執行緒?那自己不就沒了?趕忙問道:“那我豈不是沒有存在的余地了?”

行程調度器也慌了:“要是沒了行程,我是不是也要被退休了?”

作業系統趕忙解釋道:你們誤會了,我要拆開的,是行程的執行流,行程不是包含了資源所有權執行流嗎,資源所有權還是由行程來把控,執行流就分給幾個執行緒,就像這樣:

執行流

tobe 注:在行程模型里,行程擁有對記憶體、I/O 通道、I/O 設備和檔案等資源的控制權,稱之為「資源所有權」,「執行流」可以看做行程在 CPU 上的執行程序(直觀一點就是高級語言里的陳述句),

行程恍然大悟:“也就是說我仍然是資源的掌控者,那些執行緒就相當于幫我干活的小弟?”

“沒錯,而且從這種角度看,你本身還是一個單執行緒行程,”

聽了這么久,記憶體發問了:“創建行程的時候,我要保存行程 PCB ,那為了創建執行緒,我是不是還得創建一個 TCB(Thread Control Block)?”

“當然了,執行緒切換需要的資訊就得存在 TCB 里面,不過你放心,TCB 要比 PCB 小得多,所以執行緒切換會比行程切換快很多,”

多執行緒行程模型

大家聽完,紛紛覺得「執行緒」這個模型完美的解決了當前的問題,說道:“要不我們現在就在作業系統里添上執行緒模型吧,早點解決行程的問題,”

但是作業系統面露難色,說:“執行緒模型只是我們的一個假想,貿然加進來的話,可能會出問題,系統崩潰可就不好了,還是要以穩定為主,,,但這個模型還是得試的,要不我們先創建一個執行緒庫,靠一個用戶級別的應用程式——執行緒調度器來管理這些執行緒吧,”

行程不解的問:“可是這樣的話,我還是被分配在一個單獨的核心上啊,即使是多執行緒,也只能在單核上運行,再說了,如果這些執行緒里有一個被阻塞,在你看來,是整個行程阻塞了,那其他執行緒,即使是就緒態,也得不到 CPU 資源,”

作業系統仔細想了下,說:“沒辦法,用戶級執行緒確實有這兩個缺點,但相比起讓內核來實作執行緒,用戶級執行緒也有他的好處——執行緒切換不需要我進行狀態轉換(從用戶態到內核態),開銷小,除此之外,執行緒庫可以有多個調度演算法,能夠為應用程式量身定做調度演算法,”

tobe 注:有一種解決執行緒阻塞的方案叫 jacketing,他可以把一個產生阻塞的系統呼叫轉化成一個非阻塞的系統呼叫,比如說,不直接呼叫系統級的 I/O 例程,而是讓執行緒呼叫應用級的 I/O jacket 例程,這個 jacket 例程會檢查 I/O 設備是否忙,如果忙的話,就不執行 I/O 操作,轉而調度其他執行緒,避免了因等待 I/O 設備而造成的行程阻塞,


用戶級執行緒很快投入使用,Linux系統中的 pthread(POSIX thread)庫可以說是大獲成功,作業系統做出了一項重大決定——支持內核級執行緒,

內核級執行緒解決了行程并行的問題,除此之外,由于內核看得到執行緒的存在,一個執行緒阻塞了,位于同一個行程中的其它執行緒仍然能夠運行,

用戶級執行緒和內核級執行緒

并行的問題解決了,行程表示自己十分開心,


希望你在看完我的文章之后有所識訓,

感謝你的閱讀,我們后會有期!

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