线程与并发¶

本章问题：一个编辑器怎样同时保存文件和响应输入？增加线程后为什么有时仍然不快？

学习顺序：

1. 对照进程资源与线程执行状态，理解共享和私有。
2. 看用户线程、内核线程和物理核心怎样映射。
3. 计算串行部分对加速比的限制。
4. 用等待关系分析线程池与线程生命周期。

一个进程里的多条线¶

编辑器保存大文件时仍能响应键盘，可以让一条线程处理保存，另一条处理界面。线程是进程内的一条执行流；进程提供地址空间和资源容器，线程保存继续执行所需的程序计数器、寄存器与栈。

同一进程的线程通常共享代码、全局变量、堆和打开文件，却有各自的调用栈与寄存器。各有栈只表示执行记录分开，不构成地址隔离：A把仍存活的栈对象地址交给B，B可能访问同一对象。

必须同时保证对象寿命和并发访问规则。线程本地存储（TLS）则让同名变量按线程保存独立值。

flowchart TB
    P["一个进程：同一地址空间和资源"] --> S["共享：代码、全局数据、堆、打开文件"]
    P --> A["线程A：指令位置、寄存器、调用栈"]
    P --> B["线程B：指令位置、寄存器、调用栈"]
    A -->|"可访问"| S
    B -->|"可访问"| S

两条线程都能访问堆中的任务队列，便于合作，也会产生同时修改同一对象的问题。线程私有栈保存各自函数调用过程；共享地址空间意味着“各自使用”与“别人绝对不能访问”是不同保证。

切换同一进程的线程通常无须更换整个地址空间，成本可能比进程切换低，但仍要保存执行状态。缓存可能保留，也可能因工作集变化失去效果；不能把切换说成必然清空全部缓存。

练习 1¶

谁把线程交给CPU¶

用户线程由用户态库管理，内核线程是内核可调度的执行实体。两层可以有不同映射：

并行能快多少¶

先找可同时工作的执行位置：用户线程数、可运行的内核执行实体数、物理核心数中，任何一个数量过少都可能限制并行。确定位置数后，还要找任务之间的依赖。

例如必须先解码得到图像，后续图像处理才能开始，这段依赖无法靠再加线程消除。

把数组分成几段做同一种计算是数据并行；让不同线程分别解码、处理、写出是任务并行。只有彼此可独立推进的部分才能同时执行。依赖、负载不均、通信和同步都会消耗时间。

设单核总时间为 \(T\)，其中比例 \(s\) 必须串行，其余可平均分到 \(p\) 个执行位置，忽略开销：

\(T_p\) 的单位是时间，加速比 \(S_p\) 无单位。单核需12秒，3秒串行、9秒可并行，只有2个执行位置时需 \(3+9/2=7.5\) 秒，加速1.6倍。即使位置无限多，也要等串行3秒，极限为4倍。

练习 2¶

线程池怎样卡住¶

flowchart LR
    A["父任务A：占工作线程1"] -->|"等待完成"| a["子任务a：排队"]
    B["父任务B：占工作线程2"] -->|"等待完成"| b["子任务b：排队"]
    a -->|"需要空闲线程"| W["固定线程池：两条均被父任务占用"]
    b -->|"需要空闲线程"| W
    W -->|"必须等父任务归还线程"| A
    W -->|"必须等父任务归还线程"| B

图中等待对象是工作线程资源。即使操作系统还有空闲核心，池中的子任务也没有获得工作线程的入口，因此不会自动开始。

线程池提前创建固定数量的工作线程。提交者把任务放进队列，空闲线程取任务执行，结束后继续取下一项；这样减少反复创建销毁的成本，并限制资源占用。

如果池中只有两条线程，任务A、B各占一条，又各自提交子任务a、b并同步等待，那么a、b没有空闲线程可用，A、B又不退出。多核也帮不上忙，因为池没有提供更多工作位置。

可让父任务提交后返回，由完成通知继续后续步骤；简单加线程只能解决某个有限场景，不能保证任意层嵌套安全。

任务队列还要有容量与拒绝或等待策略。否则提交速度长期超过处理速度，队列和内存可能无限增长。线程池的目标同时包括效率与资源约束。

生命周期也要协调¶

线程取消表示请求它停止。立即强制取消可能让锁永不释放、文件状态只改一半；延迟取消让线程在约定检查点停止并执行清理。

等待线程完成的 join 可用于确认资源能安全回收，不能只发取消请求就销毁仍被使用的数据。

多线程进程调用 fork 时，常见POSIX语义只把调用者复制到子进程。

其他线程曾持有的锁状态却可能一起复制，子进程中没有原持锁线程来解锁，必须遵守相应创建和执行协议。

信号也有进程定向与线程定向等规则，实际由哪条线程处理取决于屏蔽状态和接口约定，不能假设总广播给所有线程。

练习 3¶

记忆要点¶