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線程

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線程英語:thread)是作業系統能夠進行運算排程的最小單位。它被包含在行程之中,是行程中的實際運作單位。一條線程指的是行程中一個單一順序的控制流,一個行程中可以並行多個線程,每條線程並列執行不同的任務。在Unix System VSunOS中也被稱為輕量行程(lightweight processes),但輕量行程更多指內核線程(kernel thread),而把用戶線路程(user thread)稱為線程。

線程是獨立排程和分派的基本單位。線程可以作業系統內核排程的內核線程,如Win32線程;由用戶行程自行排程的用戶線路程,如Linux平台的POSIX Thread;或者由內核與用戶行程,如Windows 7的線程,進行混合排程。

同一行程中的多條線程將共享該行程中的全部系統資源,如虛擬地址空間,檔案描述符訊號處理等等。但同一行程中的多個線程有各自的呼叫棧(call stack),自己的暫存器環境(register context),自己的線程本地儲存(thread-local storage)。

一個行程可以有很多執行緒,每條線程並列執行不同的任務。

在多核或多CPU,或支援Hyper-threading的CPU上使用多執行緒程式設計的好處是顯而易見,即提高了程式的執行吞吐率。在單CPU單核的電腦上,使用多執行緒技術,也可以把行程中負責IO處理、人機互動而常被阻塞的部分與密集計算的部分分開來執行,編寫專門的workhorse線程執行密集計算,從而提高了程式的執行效率。

狀態[編輯]

線程有四種基本狀態,分別為:

  • 產生(spawn)
  • 中斷(block)
  • 非中斷(unblock)
  • 結束(finish)

不同平台的線程[編輯]

UNIX International線程[編輯]

UNIX International線程簡介[編輯]

SUN Solaris作業系統使用的線程叫做UNIX International線程,支援內核線程、輕權行程和用戶線路程。一個行程可有大量用戶線路程;大量用戶線路程復用少量的輕權行程,輕權行程與內核線程一一對應。用戶級線程在呼叫核心服務時(如檔案讀寫),需要「捆綁(bound)」在一個lwp上。永久捆綁(一個LWP固定被一個用戶級線程佔用,該LWP移到LWP池之外)和臨時捆綁(從LWP池中臨時分配一個未被佔用的LWP)。在呼叫系統服務時,如果所有LWP已被其他用戶級線程所佔用(捆綁),則該線程阻塞直到有可用的LWP。如果LWP執行系統線程時阻塞(如read()呼叫),則當前捆綁在LWP上的用戶級線程也阻塞。

UNIX International線程的有關API[編輯]

UNIX International線程的表頭檔是<thread.h>[1]

建立用戶級線程[編輯]
int thr_create(void * stack_base, size_t stack_size, void *(*start_routinevoid *), void * arg, long flags, thread_t * new_thr);

其中flags包括:THR_BOUND(永久捆綁), THR_NEW_LWP(建立新LWP放入LWP池),若兩者同時指定則建立兩個新LWP,一個永久捆綁而另一個放入LWP池。

等待用戶級線程[編輯]
int thr_join(thread_t wait_for, thread_t *dead, void **status);
掛起用戶級線程[編輯]
int thr_suspend(thread_t thr);
繼續用戶級線程[編輯]
int thr_continue(thread_t thr);
退出用戶級線程[編輯]
void thr_exit(void *status);
返回當前用戶級線程的線程識別元[編輯]
thread_t thr_self( void );

POSIX線程[編輯]

POSIX線程簡介[編輯]

POSIX線程(POSIX threads),簡稱Pthreads,是線程的POSIX標準。該標準定義了建立和操縱線程的一整套API。在類Unix作業系統(Unix、Linux、Mac OS X等)中,都使用Pthreads作為作業系統的線程[2][3][4]。Windows作業系統也有其移植版pthreads-win32[5]

POSIX線程的有關API[編輯]

Pthreads線程的表頭檔是<pthread.h>[6][7]

建立用戶級線程[編輯]
int pthread_create(pthread_t * thread, const pthread_attr_t * attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
等待用戶級線程[編輯]
int pthread_join(pthread_t thread, void ** retval);
退出用戶級線程[編輯]
void pthread_exit(void *retval);
返回當前用戶級線程的線程識別元[編輯]
pthread_t pthread_self(void);
用戶級線程的取消[編輯]
int pthread_cancel(pthread_t thread);

Win32線程[編輯]

Win32線程簡介[編輯]

Win32線程是Windows API的一部分,上下文包括:暫存器、核心棧、線程環境塊和用戶棧。

Win32線程的有關API[編輯]

Win32線程的表頭檔是<Windows.h>,僅適用於Windows作業系統。[8]

建立用戶級線程[編輯]
HANDLE WINAPI CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, SIZE_T dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, DWORD dwCreationFlags, LPDWORD lpThreadId);
結束本線程[編輯]
VOID WINAPI ExitThread(DWORD dwExitCode);
掛起指定的線程[編輯]
DWORD WINAPI SuspendThread( HANDLE hThread );
恢復指定線程執行[編輯]
DWORD WINAPI ResumeThread(HANDLE hThread);
等待線程執行完畢[編輯]
DWORD WINAPI WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);
返回當前線程的線程識別元[編輯]
DWORD WINAPI GetCurrentThreadId(void);
返回當前線程的線程控制代碼[編輯]
HANDLE WINAPI GetCurrentThread(void);

跨平台的線程[編輯]

C++11線程[編輯]

C++11線程簡介[編輯]

2011年8月12日,國際標準化組織(ISO)發佈了第三個C++標準,即ISO/IEC 14882:2011,簡稱ISO C++ 11標準。該標準第一次把線程的概念引入C++標準庫。Windows平台執行的VS2012和Linux平台執行的g++4.7,都完美支援C++11線程。

C++11線程的有關函數[編輯]

C++ 11線程的表頭檔是<thread>[9]

建立線程[編輯]
std::thread::thread(Function&& f, Args&&... args);
等待線程結束[編輯]
std::thread::join();
脫離線程控制[編輯]
std::thread::detach();
交換線程[編輯]
std::thread::swap(thread& other);

C11線程[編輯]

C11線程簡介[編輯]

2011年12月8日,國際標準化組織(ISO)發佈了第三個C語言標準,即ISO 9899:2011,簡稱ISO C 11標準。該標準第一次把線程的概念引入C語言標準庫。

C11線程僅僅是個「建議標準」,也就是說100%遵守C11標準的C編譯器是可以不支援C11線程的。根據C11標準的規定,只要編譯器預定義了 __STDC_NO_THREADS__(C11),就可以沒有<threads.h>表頭檔,自然也就也沒有下列函數。

C11線程的有關函數[編輯]

C11線程的表頭檔是<threads.h>[10]

建立線程[編輯]
int thrd_create(thrd_t *thr, thrd_start_t func, void *arg);
結束本線程[編輯]
_Noreturn void thrd_exit( int res );
等待線程執行完畢[編輯]
int thrd_join(thrd_t thr, int *res);
返回當前線程的線程識別元[編輯]
thrd_t thrd_current();

Java線程[編輯]

  1. 最簡單的情況是,Thread/Runnable的run()方法執行完畢,自行終止。
  2. 對於更複雜的情況,比如有迴圈,則可以增加終止標記變數和任務終止的檢查點。
  3. 最常見的情況,也是為了解決阻塞不能執行檢查點的問題,用中斷來結束線程,但中斷只是請求,並不能完全保證線程被終止,需要執行線程協同處理。
  4. IO阻塞和等鎖情況下需要通過特殊方式進行處理。
  5. 使用Future類的cancel()方法呼叫。
  6. 呼叫線程池執行器的shutdown()和shutdownNow()方法。
  7. 守護線程會在非守護線程都結束時自動終止。
  8. Thread有stop()方法,但已不推薦使用。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ Novell Doc: NDK: Libraries for C (LibC), Volume 2 - UI Thread Functions, NOVELL Worldwide
  2. ^ pthreads (7), UNIX man pages
  3. ^ pthreads (7), Linux manual page
  4. ^ pthread (3) Mac OS X Developer Tools Manual Page, Apple Developer
  5. ^ POSIX Threads (pthreads) for Win32, sourceware.org: Free software! Get your fresh hot free software!
  6. ^ PTHREAD_CREATE, Linux Man Pages
  7. ^ POSIX Threads Programming, High Performance Computing: High Performance Computing
  8. ^ Multiple Threads (Windows), MSDN-the microsoft developer network
  9. ^ std::thread, cppreference.com
  10. ^ Thread support library, cppreference.com