CSAPP学习笔记 - 并发编程

撰写于 2016-05-01 修改于 2018-12-15 标签 笔记

本文摘自CSAPP第12章,并加入了网上的参考资料。

并发与并行

拿线程来举例。

并发

当有多个线程在执行时,系统如果只有一个CPU,则根本不可能真正同时进行一个以上的线程。它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行。在一个时间段的线程代码运行时,其它线程处于挂起状。这种方式我们称之为并发(Concurrent)

并行

当系统有一个以上CPU时,不同的CPU可以执行两个不同的线程。两个线程互不抢占CPU资源,可以同时进行,这种方式我们称之为并行(Parallel)

CSAPP的定义是——如果两个及以上的逻辑控制流在时间上有重叠,那么这些流就是并发的

区别

并发和并行是即相似又有区别的两个概念。并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生;而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下,并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行;但在单处理机系统中,每一时刻却仅能有一道程序执行,故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机,则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上,实现并行执行,即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序。这样,多个程序便可以同时执行。

并发的实现

现代操作系统主要有三种基本的构造并发程序的方法。

进程

在多进程(Multi-processing)模式下,每一个逻辑控制流都是一个进程,由内核来调度和维护。每一个进程都有独立的虚拟地址空间。父进程和子进程共享文件表,但不共享用户地址空间。进程之间共享信息比较麻烦,需要显示的使用IPC机制。

在三种模式中,进程上下文较大,切换时的开销也更多,对性能的损耗较高。

多进程模式主要用forkexecwaitpid等函数来构造,进程间通信可以用pipemknodmkfifo等函数来实现。

可以参考:

线程

多线程(Multi-threading)模式运行在单一进程中,因此共享着进程的虚拟地址空间的整个内容。线程由内核自动调度。每个线程有自己的线程上下文,包括线程ID、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。线程上下文比进程上下文要小很多,切换时的开销也小、也更快。

线程之间共享虚拟地址空间,但不共享寄存器。

Unix系统和C语言都支持Posix线程(Pthread)。可以参考:

需要注意的是,线程有可结合与可分离的区别。可结合线程的资源需要显式的结束线程后才能回收,而可分离线程在线程停止运行后自动回收。

I/O多路复用

通常的,每一次I/O操作,如果操作不能立刻返回结果,都会导致线程挂起,直到返回结果。当设定为非阻塞I/O模式后,如果操作不能立刻返回正确结果,就会返回一个I/O错误,从而保证线程不会被阻塞。对于非阻塞模式,必须使用轮询来获取结果。

而I/O多路复用(I/O multiplexing)模式维护着一个描述符集合,通过轮询获取一个就绪集合(也是描述符集合的子集),然后将就绪集合引入单一线程中执行后续操作。

I/O多路复用模式运行在单一线程中,大大减少了性能占用,没有切换开销,同时可以很方便的共享数据。但是,I/O多路复用模式的代码量较高,而且随着并发粒度的提高,代码量会持续增长。

I/O多路复用模式可以使用selectepoll等函数来构造。

并发粒度——每个逻辑流在每个时间片内执行的指令数量。

可以参考:

I/O多路复用模式是三者当中性能最好的,但是有局限性——只能用在I/O密集型程序中。对于计算密集型程序或I/O性能足够强的系统,该模式并非最佳选择。

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