《线程及其实现》课件

《线程及其实现》ppt课件REPORTING目录•线程的基本概念•线程的实现方式•线程的同步与互斥•线程的创建与销毁•线程的应用场景•线程的注意事项PART01线程的基本概念REPORTING什么是线程线程是程序执行流的最小单元，每个线程都有自己的执行栈和程线程之间通信和同步可以通过共是操作系统进行调度的基本单位序计数器，共享进程的资源，如享内存和信号量等机制实现内存空间、文件描述符等线程的优点010203提高程序的并发性充分利用系统资源简化程序设计通过多线程可以同时执行多线程可以充分利用多核多线程可以简化程序设计，多个任务，提高程序的执处理器和多线程硬件的资通过将任务分解为多个独行效率源，提高系统的整体性能立线程，降低程序的复杂度线程的缺点线程创建和管理开销大线程安全问题每个线程都需要独立的栈空间和上下多线程程序中需要对共享资源进行保文切换，导致线程创建和管理需要较护，避免出现数据竞争和不一致等问大的系统开销题，需要使用同步机制保证线程安全线程间的同步和通信问题多线程程序中线程间的同步和通信问题比较复杂，需要谨慎处理，否则可能导致死锁等问题PART02线程的实现方式REPORTING用户级线程（ULT）总结词轻量级、易实现、高并发、跨平台限制详细描述用户级线程是在用户空间下实现的线程，由应用程序直接控制线程的创建、切换和销毁由于不涉及内核的介入，因此具有较好的并发性和灵活性，适用于编写跨平台的并发应用程序用户级线程（ULT）总结词与系统调用密切相关详细描述用户级线程的调度和同步需要借助系统调用和库函数来完成，因此会带来一定的性能开销此外，由于不同操作系统的系统调用和库函数可能存在差异，因此用户级线程的跨平台能力受到限制核心级线程（CT）总结词重量级、低并发、系统开销大、适用于特定场景详细描述核心级线程是在内核空间下实现的线程，由操作系统直接控制线程的创建、切换和销毁由于涉及内核的介入，因此线程切换和管理的开销较大，并发性能较低核心级线程适用于对系统资源要求较高或需要在特定场景下实现高并发的应用程序核心级线程（CT）总结词与操作系统紧密结合详细描述核心级线程与操作系统的调度器紧密结合，因此具有较好的系统资源利用率和并发性能由于不同操作系统的调度器可能存在差异，因此核心级线程的跨平台能力也受到限制多线程操作系统总结词详细描述提供线程管理机制、支持并发执行、适多线程操作系统是指支持多线程并发执行用于多核处理器的操作系统它提供了一系列的线程管理VS机制，如线程创建、同步、通信和调度等，以支持多个线程同时执行多线程操作系统适用于多核处理器环境，能够充分利用系统资源，提高应用程序的执行效率多线程操作系统总结词详细描述需要合理设计线程间的同步和通信机制在多线程操作系统中，多个线程可能同时访问共享资源，因此需要合理设计线程间的同步和通信机制，以避免竞态条件和死锁等问题此外，多线程操作系统的调度器也需要根据不同的场景和需求进行优化，以提高系统的整体性能PART03线程的同步与互斥REPORTING互斥锁互斥锁（Mutex）是一种常用当一个线程获取了互斥锁后，互斥锁可以保证共享资源的完的线程同步机制，用于保护共其他线程必须等待该锁被释放整性和一致性，但也可能导致享资源，防止多个线程同时访后才能继续执行死锁或性能问题问和修改读写锁读写锁（Read-Write Lock）适用于读写锁可以提高并发性能，但实现起读操作频繁、写操作较少的场景来较为复杂，需要处理各种竞争条件当多个线程同时进行读操作时，可以同时获取读锁；但当有写操作时，其他读操作和写操作都必须等待自旋锁自旋锁（Spinlock）是一种简单当一个线程尝试获取自旋锁时，自旋锁适用于短时间内的资源保的线程同步机制，适用于短时间如果锁已经被其他线程占用，该护，但如果竞争激烈或持有锁的内的资源保护线程会不断循环检查锁是否可用，时间较长，会造成不必要的CPU直到获取到锁为止资源浪费条件变量条件变量（Condition Variable）用于线程之间的条件等待和通知机制当一个线程需要等待某个条件成立时，可以调用条件变量的等待函数，将自己挂起；当条件满足时，其他线程可以调用条件变量的通知函数，唤醒等待的线程条件变量可以解决忙等待问题，提高并发性能，但需要谨慎处理死锁和竞争条件PART04线程的创建与销毁REPORTING线程的创建线程的创建方式线程的创建过程线程的创建开销通过T hr ea d类或线程的创建需要经过系统线程的创建和销毁需要一Runnable接口创建线程分配资源、初始化、放入定的系统资源，频繁地创就绪队列等步骤建和销毁线程会对系统性能产生影响线程的销毁线程的销毁过程当线程终止后，系统会回收线程所线程的终止方式占用的资源，并将该线程从系统中删除正常终止、异常终止、阻塞终止线程的销毁开销线程的销毁也需要一定的系统资源，如果线程过多地被创建和销毁，会对系统性能产生影响线程的优先级线程优先级的概念线程优先级的分类线程优先级的影响线程优先级是操作系统用来调度分为高、中、低三个优先级，还高优先级的线程会获得更多的线程的一种机制，优先级高的线有一些特殊优先级用于实现某些CPU时间片，而低优先级的线程程会优先获得CPU时间片特殊需求可能会被操作系统调度器忽略PART05线程的应用场景REPORTING并行计算并行计算的定义01并行计算是一种计算方式，它使用多个处理器同时执行多个任务，以提高计算效率线程在并行计算中的重要性02线程是并行计算的基本单元，通过创建多个线程，可以将一个大的计算任务拆分成多个小的子任务，并由多个处理器同时执行，从而加快计算速度并行计算的应用领域03并行计算广泛应用于科学计算、工程模拟、大数据处理等领域例如，气候模拟、物理模拟、金融数据分析等都需要使用并行计算来提高计算效率多任务处理多任务处理的概念多任务处理是指在一个操作系统中同时执行多个任务的能力线程在多任务处理中的作用线程是实现多任务处理的关键，通过创建多个线程，可以将一个进程拆分成多个子进程，每个子进程可以独立执行，从而实现多任务同时处理多任务处理的应用场景多任务处理广泛应用于各种领域，如服务器端应用、桌面应用、移动应用等例如，一个聊天应用可能需要同时处理多个用户的消息，这就需要使用多任务处理来实现网络编程网络编程的概念网络编程是指通过网络进行数据传输和通信的编程技术线程在网络编程中的作用在网络编程中，线程可以用于处理多个网络连接和数据流通过为每个连接创建一个独立的线程，可以实现并发处理和数据传输，提高网络应用的性能和响应速度网络编程的应用领域网络编程广泛应用于各种网络应用，如Web服务器、邮件服务器、实时通信应用等例如，一个Web服务器可能需要同时处理多个客户端的请求，这就需要使用多线程编程来实现并发处理PART06线程的注意事项REPORTING死锁问题死锁定义当两个或多个线程永久地阻塞，每个线程都在等待其他线程释放资源时，就会发生死锁死锁预防通过避免循环等待和请求和保持条件，可以预防死锁应确保线程按特定顺序请求资源，并限制每个线程持有的资源数量死锁检测定期检测死锁并采取措施解除一种常见的检测方法是使用“银行家算法”，该算法跟踪每个线程对资源的请求和持有量饥饿问题饥饿定义当一个或多个线程由于其他线程的优先级高于它们而无法获得足够的资源时，就会发生饥饿饥饿预防通过使用公平调度策略，确保所有线程都有机会按需获取资源此外，限制高优先级线程对资源的访问时间，以减少饥饿的可能性饥饿处理如果发现线程受到饥饿，可以重新调整其优先级或重新安排资源的分配线程安全问题线程安全定义当多个线程同时访问和修改共享数据时，如果程1序的状态不会出现不一致或数据损坏，则称该程序是线程安全的线程安全实现通过使用同步机制（如互斥锁、读写锁、信号量2等）来控制对共享数据的访问，确保同一时间只有一个线程可以访问数据线程安全设计在设计多线程程序时，应考虑数据竞争条件和临3界区的问题，并采取适当的同步措施来避免数据不一致和数据损坏THANKS感谢观看REPORTING。