多线程编程中需要知道的操作系统的概念

操作系统也曾看过几遍了，但始终未能透彻理解信号量、互斥、管程、消息传递等概念。

现在有时需要多线程编程，回头再看这些概念中体现的解决方案，有点感觉了。

多线程编程经典问题：

消费者和生产者共同使用一些资源问题（或读写一段共享内存问题），如何避免竞争条件（线程可能永远睡眠），死锁问题。

理解这些问题的前提假设： 

中断：一个线程刚执行一个操作（一个指令），就被中断（有可能是长时间中断、比如长时间不运行），其他线程开始运行。中断的类型有很多种，级别也不一样。

竞争条件：由中断产生，同一个资源被两个线程访问操作的问题，而且一个线程刚操作了一半，另外一个线程就抢断。

临界区：为避免竞争条件引起的问题，对共享资源、共享内存等进行保护，每次应该只运行一个线程运行的代码段。

互斥：对保护临界区、避免竞争条件的解决方法。

信号丢失：对一个线程发一个信号，如果该信号丢失，就再也找不回来了（？）

抛开忙等待的检测方法，直接使用sleep()，wakeup()来使线程阻塞(不被运行)、唤醒（开始运行）。

1. 首先采用flag的方式，或用count变量

两个线程共同使用一个变量，来表示这段资源是否可用。

应用sleep（），wakeup（）和count的问题：

线程1consumer，读count==0，发现自己该sleep(), 但sleep()之前，被中断。

线程2producer开始运行，count=N，不能再生产，自己sleep()。

线程1consumer恢复中断，开始运行，直接进入sleep()

两个线程无人唤醒，就永远、幸福的sleep下去了。

2. 信号量

原子操作：变量检测、变量修改，以及可能的sleep()操作或wakeup()操作，是一个整体，不可分割、中断。

信号量可以用来实现同步(sychronizeatioin),保证事件顺序发生或不发生，而这个与互斥是不同的。

信号量是一个整型的计数器，当为0时，表示没有保存下来的唤醒操作；当为正值时，表示有一个或多个唤醒操作。

Down：原子操作：检测是否大于0，若大于0，则减1，继续；若等于0，则睡眠该进程，并且此线程的down操作并未完成（自己被阻塞，减1的操作并未完成）。

Up：原子操作：信号量增1，若有多个线程在该信号量上睡眠，则由系统选择其中一个（如随机），并允许该线程完成它自己的down操作。Up操作不会产生线程阻塞。

信号量是用于资源的同步，表示有多少资源可以使用。

而互斥量是用于每次只能有一个线程进入访问资源的代码段，防止混乱。

消费者、生产者问题，需要两个信号量和一个互斥量才能解决，且代码的逻辑要小心，否则会产生死锁。

如两个信号量full，empty（同一个资源，两个信号量），一个互斥量mutex（访问资源使用）

producer的操作：

DOWN(full)

DOWN(mutex)

produce;

UP(mutex)

UP(empty)

consumer的操作：

DOWN(empty)

DOWN(mutex)

consume;

UP(mutex)

UP(full)

对full，empty的信号量的操作，无需放入mutex内部，因为没有对资源访问。

empty，full两个信号量，相当于一个资源队列的  已用容量  和 未用容量，如produce时，必须先将未用容量减1，完成后，将已用容量加1，而不能反转次序。否则，如资源队列为空时，生产者先将empty加1，然后被抢断；consumer去消费，empty不为0，而资源队列里为0，就会混乱。

这个需要程序员来保证。不管怎么样，总算能解决资源共享的问题，并且相当于解决一个资源队列的问题。这个问题同样可以用一个无锁级别的方法来解决，可以对比一下，两者异曲同工，无锁队列采取的是producer只操作尾指针，且先插入数据，尾指针加1，已用容量容量加1，consumer值操作头指针，直接头指针移动一下，head加1，相当于未用容量加1.  区别：无锁级别，一个线程只操作一个指针（变量），不会写两个变量。

3. 互斥量

用于管理共享资源或一小段代码，表示每次只运行一个线程访问，可以加锁，解锁mutex。

lock_mutex， unlock_mutex的实现，可以使用TSL或XCHG指令来实现。

mutex为0，表示可用，非0，不可用，重复测试，或时钟到，阻塞。

在使用信号量和互斥量时，必须小心，避免陷入死锁,两个线程同时被两个不同的信号量或互斥量阻塞。

4. 条件变量

条件变量的作用是允许线程因为一些条件达不到，而自己阻塞。然后等待的资源达到后，由另外一个线程唤醒它。

与互斥量的区别：互斥量是必须的，保证只有一个线程访问资源，可以对任意一个线程产生阻塞； 而条件变量是线程自身的条件达不到，而自行阻塞。

条件变量同信号量一样，可以与互斥量共同使用。不过条件变量，没有计数功能，仅集成了阻塞、唤醒功能，所以，需要程序员判断资源是否可用，访问资源，所以条件变量需要放入互斥量锁的内部使用。

以上，各概念变量基本上都是全局变量。各线程能共同访问。

5.  管程

一种更高级的同步原语，实现方式就是互斥、加条件变量，只不过，这些由编译器来完成，而无需程序员来保证无死锁、竞争等现象。

如采用1的实现方式，count，sleep()，wakeup()，只不过将count检测与sleep()或wakeup进行打包，不允许中断。

producer的一个produce过程、consumer的一个consume过程由编译器来负责其互斥。

仅少数几种语言支持管程，如java，而c、pascal是不支持管程的。

信号量和管程都无法解决一个或多CPU的（互斥问题），而无法解决分布式系统上的互斥问题，多个cpu，每个cpu都有自己的内存。

多线程编程中，其他使用的概念：

同步： 一个线程需要等待另外一个线程或资源

异步：无等待，多个线程同时执行

临界区域、临界区域变量（进入、退出临界区域的状态），有点类似于互斥量和锁。只不过，互斥量被锁时，进程被阻塞；而临界区域会忙测试，进行等待（busy loop），直到本线程的时间片耗完。 而且，系统无法清除死锁的临界区线程，而互斥量，系统可以处理死锁。

- 互斥器的时间开销远远大于临界区变量的使用，因为一个在usr mode下，一个是kernel mode下

- mutex互斥器可以跨进程使用，而临界区变量只能在同一个线程中使用

- mutex可以指定等待时间，而临界区变量不行

不要长时间锁住一片资源。

context switch：系统换了一个线程执行。

死锁：当一段代码需要两个或多个资源时，就存在死锁的危险。

消息传递： 解决进程间或多分布式间进程通信的方式。原语，是系统调用，而不是语言特性。有关分布式系统上的消息传递，还要遵守两次握手原则，防止消息丢失，有一个重发机制，和区分重复消息的机制（需要消息的序号）。与以上方式的区别，以上解决的问题，都是共享内存的。

同信号量的机制一样，只需将共享内存的N个槽，换成 消息缓冲区的N个槽就行了。

send：向目标发送消息，若消息缓冲区满，则本发送线程阻塞。

receive： 接收消息，若消息缓冲区空，则本接收进程阻塞。

信箱的的方式就是这种管理方式。若取消缓冲，就更直接明了了，send在receive之前，发送线程阻塞，直到receive发生；receive在send之后，接收线程阻塞，直到send发生。 

共享内存：IPC进程间通信的常用机制，速度更快。mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上。但若内存大小小于一个页面4KB，访问正常，若大于一个页面，则可能引发错误。

http://www.chinasb.org/archives/2012/03/4469.shtml

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html

http://baike.baidu.com/view/1499209.htm

事件event：受程序员完全控制的核心对象，不过在《现代操作系统》这本书里没提到。《win32多线程编程》里介绍的比较详细。createEvent是创建事件。用来同步对象。

setEvent：激活事件

resetEvent：重设事件

pulseEvent：若是manual方式，激活“所有”等待中线程，然后reset；若是auto方式，激活一个等待中线程，然后reset。

若无线程接收event，则event同样会丢失。

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如何在一个线程中控制另外一个线程？如终止

指定线程，首先需要的是该线程的handle

terminalThread（handle， exitCode）：内核层面的结束，甚至无内存的清理，引起内存泄露。

Signals(信号)，unix中有SIGKILL的函数，几乎等于terminalThread。

解决方法：

使用Event对象，然后让线程检测或等待它，条件满足时，线程自我结束。event可以取代全局变量。

所有线程可以共用一个事件event对象。

线程优先权的作用？大部分线程使用normal的优先权，轮流执行，只有必要时，采用其他的优先权。三部分：优先权类别、优先权层级，是用户可以设置的，优先权动态提升是操作系统的，三部分共同作用。

恢复一个线程 ?这个线程可以被再次执行。

resumeThread(handle) 

挂起一个线程？

suspendThread（handle）

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还有一个比较紧迫的问题：

runtime library如何选择？

在VS的code generation中需要设置 runtime library：MT, MDT, MD, MDD

它的作用是 代码生成时，链接runtime library，但其有可能有不同的实现：

单线程静态版(vs2008,就没这个选项了，vc6.0以前ms还有的)

多线程静态版 vs 多线程dll版

 debug版 vs release版。来自《win32多线程编程》

所有的库链接时需要采用统一的runtime library链接方式，否则，有时就给出一堆的链接错误。

对此问题，网上已经有人的写的很清楚了：

Choosing the Correct C/C++ Runtime Library

http://www.davidlenihan.com/2008/01/choosing_the_correct_cc_runtim.html

• Use the debug version only internally, release for anything that could be used by customers
• Use the DLL version except in special situations
• Use consistent settings throughout your project (the runtime library setting can be done per source file)
• Don't worry if your runtime library settings match other libraries you use (unless the library comes in multiple runtime library versions)

以及，调用多个库，真的冲突了，需要忽略一些库：

若要使用此运行时库 请忽略这些库 
单线程 (libc.lib) libcmt.lib、msvcrt.lib、libcd.lib、libcmtd.lib、msvcrtd.lib 
多线程 (libcmt.lib) libc.lib、msvcrt.lib、libcd.lib、libcmtd.lib、msvcrtd.lib 
使用 DLL 的多线程 (msvcrt.lib) libc.lib、libcmt.lib、libcd.lib、libcmtd.lib、msvcrtd.lib 
调试单线程 (libcd.lib) libc.lib、libcmt.lib、msvcrt.lib、libcmtd.lib、msvcrtd.lib 
调试多线程 (libcmtd.lib) libc.lib、libcmt.lib、msvcrt.lib、libcd.lib、msvcrtd.lib 
使用 DLL 的调试多线程 (msvcrtd.lib) libc.lib、libcmt.lib、msvcrt.lib、libcd.lib、libcmtd.lib 

例如，如果收到此警告，并希望创建使用非调试、单线程版本的运行时库的可执行文件，可以将下列选项与链接器一起使用：
/NODEFAULTLIB:libcmt.lib /NODEFAULTLIB:msvcrt.lib /NODEFAULTLIB:libcd.lib /NODEFAULTLIB:libcmtd.lib /NODEFAULTLIB

详细的介绍在：

http://blog.youkuaiyun.com/monster_2495/article/details/7724597

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编译链接时，对lib工程的preprocessor设置，仍要对主工程进行设置，否则，会出现链接 redefinition之类的错误。

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两线程间传递数据，也有无锁的解决方法：采用队列的形式，读写互不干扰，下文里有详细的描述。

http://blog.youkuaiyun.com/viewcode/article/details/7937665

多线程编程中的概念与操作系统紧密相连，这里先总结下基本的。