操作系统.docx

1、操作系统线程第一课时计算机系统由硬件和软件两部分组成，操作系统OS（Operating System）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件的首次扩充。操作系统的定义：是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序和数据的集合。见下图：当前windows 操作系统 属于实时操作系统，也是抢占式操作系统。它有这样几个特性：并发、共享、虚拟、异步。操作系统的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序有条不紊地、高效的运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用。在传统的操作系统中，程序并不能独立运行，作为资源分配和独立

2、运行的基本单位是进程。如果说，在操作系统中，引入进程的目的，是为了是多个程序能并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，那么，在操作系统中，引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的开销。线程的定义：线程（thread, 台湾称 执行绪）是进程中某个单一顺序的控制流。也被称为轻量进程（lightweight processes）。计算机科学术语，指运行中的程序的调度单位。线程两部分组成：一个是线程的内核对象 操作系统用它管理线程。系统还用内核对象来存放线程统计信息的地方。一个线程栈 用于维护线程执行时所需的所有函数参数和局部变量。1）轻型实体线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可

3、少的、能保证独立运行的资源，比如，在每个线程中都应具有一个用于控制线程运行的线程控制块TCB，用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。2）独立调度和分派的基本单位。在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小。3）可并发执行。在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行。4）共享进程资源。在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程

4、的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。线程与进程的区别可以归纳为以下几点：1）地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。2）通信：进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。3）调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。4）在多线程OS中，进程不是一个可执行的实体。并行是指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。并发是指在同一时刻，只能有一条指令执行，但多

5、个进程指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。“并行”是指无论从微观还是宏观，二者都是一起执行的，就好像两个人各拿一把铁锨在挖坑，一小时后，每人一个大坑。 而“并发”在微观上不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行，从宏观外来看，好像是这些进程都在执行，这就好像两个人用同一把铁锨，轮流挖坑，一小时后，两个人各挖一个小一点的坑，要想挖两个大一点得坑，一定会用两个小时。 从以上本质不难看出，“并发”执行，在多个进程存在资源冲突时，并没有从根本提高执行效率。何时创建线程？比如公交车，一个司机开一圈，两个司机开一圈 ，时间可能两个司机更慢一些。多此一举。接下来

6、我们来由一个例子引入线程：在一个按钮的事件处理中：while(im_bflag*/) Sleep(20); p-m_progressCtrl.SetPos(i+); 当程序在走while循环时，程序死等在那里，只有while循环结束，才能继续执行其他代码。因此引入线程.一 、首先，创建线程：Win32 提供了一系列的API函数来完成线程的创建、挂起、恢复、终结以及通信等工作。下面将选取其中的一些重要函数进行说明。 1、HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD

7、_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, DWORD dwCreationFlags, LPDWORD lpThreadId);该函数在其调用进程的进程空间里创建一个新的线程，并返回已建线程的句柄，其中各参数说明如下：lpThreadAttributes：指向一个 SECURITY_ATTRIBUTES 结构的指针，该结构决定了线程的安全属性，一般置为 NULL； dwStackSize：指定了线程的堆栈深度，一般都设置为0； lpStartAddress：表示新线程开始执行时代码所在函数的地址，即线程的起始地址。一般情况为(LPTH

8、READ_START_ROUTINE)ThreadFunc，ThreadFunc 是线程函数名； lpParameter：指定了线程执行时传送给线程的32位参数，即线程函数的参数； dwCreationFlags：控制线程创建的附加标志，可以取两种值。如果该参数为0，线程在被创建后就会立即开始执行；如果该参数为CREATE_SUSPENDED,则系统产生线程后，该线程处于挂起状态，并不马上执行，直至函数ResumeThread被调用； lpThreadId：该参数返回所创建线程的ID； 如果创建成功则返回线程的句柄，否则返回NULL。 2、DWORD SuspendThread(HANDLE

9、hThread);该函数用于挂起指定的线程，如果函数执行成功，则线程的执行被终止。 3、DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);该函数用于结束线程的挂起状态，执行线程。4、VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);该函数用于线程终结自身的执行，主要在线程的执行函数中被调用。其中参数dwExitCode用来设置线程的退出码。5、BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);一般情况下，线程运行结束之后，线程函数正常返回，但是应用程序可以调用TerminateThread强行终止某

10、一线程的执行。各参数含义如下：hThread：将被终结的线程的句柄； dwExitCode：用于指定线程的退出码。 使用TerminateThread()终止某个线程的执行是不安全的，可能会引起系统不稳定；虽然该函数立即终止线程的执行，但并不释放线程所占用的资源。因此，一般不建议使用该函数。 6、BOOL PostThreadMessage(DWORD idThread, UINT Msg, WPARAM wParam, LPARAM lParam);该函数将一条消息放入到指定线程的消息队列中，并且不等到消息被该线程处理时便返回。idThread：将接收消息的线程的ID； Msg：指定用来发送

11、的消息； wParam：同消息有关的字参数； lParam：同消息有关的长参数； 调用该函数时，如果即将接收消息的线程没有创建消息循环，则该函数执行失败。二、写个例子：类似播放器的按钮，开始 、暂停 和停止1点击开始按钮创建线程 m_hThread = CreateThread(NULL,/是否被继承 0, /线程堆栈的大小 &ThreadProc, /函数的地址 this, /线程函数参数 CREATE_SUSPENDED ,/创建标志0立即执行 &m_nid /线程ID ); if (!m_hThread) MessageBox(_T(线程创建失败); ResumeThread(m_hTh

12、read);/恢复线程创建线程函数DWORD WINAPI CthreadDlg:ThreadProc(LPVOID lpParameter) CthreadDlg *p = (CthreadDlg*)lpParameter; while (1/*p-m_bflag*/) /如果事件有信号则结束当前线程 if (WaitForSingleObject(p-m_hEvent,100) = WAIT_OBJECT_0) break; int i = 0; while(im_bflag*/) Sleep(20); p-m_progressCtrl.SetPos(i+); /有信号 SetEvent(

13、p-m_hCheckEvent); return 0;2.点击暂停 挂起线程SuspendThread(m_hThread);3点击停止 -结束线程结束线程时有3种方法（1） 全局变量（2） 事件（双事件）将一个事件置为有信号，则线程中有个等待函数，当等到信号，则跳出循环，线程结束。（3） 强制终止Exitthread() 结束线程，只能结束当前线程，将操作系统分配的资源回收Terminatethread() 结束任意线程，不会释放该线程资源，直到包含当前线程的进程结束。用户界面线程1课时1. 用MFC 的 afxBeginthread创建线程 有两种工作者线程 ：后台运行，没有自己的消息队列

14、，直到向这个线程中发送消息，系统会为此线程创建一个消息队列.用户界面线程：有自己的界面和消息队列。创建用户界面线程的步骤：1.添加一个对话框类2.添加一个又CWinThread派生的一个线程类在线程的初始化函数InitInstance中 Cdig dig; m_pMainwnd = &dig； /将对话框和线程类联系在一块，作为用户界面线程的主窗口.Dig.domodal();问题： 1.如果先关闭自己创建出来的线程，最后关闭进程的主线程没问题。如果直接关闭主线程，则会有内存泄露，为什么呢？原因是由于包含自己创建的线程的进程已经结束，自己线程强制终止，造成内存泄露。解决方法：在主线程退出之前，

15、将自己创建的线程一一结束。（通过发送消息的方式）。代码如下： /结束自己创建出来的线程 for (int i = 0;i PostThreadMessage(WM_QUIT,0,0); WaitForSingleObject( m_pthreadi-m_hThread,INFINITE); 线程间通信1课时线程间通信有两种方法： 1. 全局变量2. 发送消息由一个例子说明：题目：首先点击启动线程 创建一个线程A，然后去选择一个要去运算的数，点击计算的时候，将这个数 由主线程-线程A ，线程A计算出结果，将结果由线程A-主线程1. 启动线程m_hThread = CreateThread(NUL

16、L,0,&ThreadProc,this,CREATE_SUSPENDED,&m_nThreadID); if (!m_hThread) MessageBox(_T(创建线程失败); ResumeThread(m_hThread);DWORD WINAPI Cthread2Dlg:ThreadProc(LPVOID lpParameter) Cthread2Dlg *pthis = (Cthread2Dlg*)lpParameter; MSG msg; while (1) int sum = 0; if (PeekMessage(&msg,NULL,0,0,PM_REMOVE) if (msg

17、.message = UM_MSG) for (int i = 0; i m_nsum*/;i+) sum += i; /将计算结果返回到主线程 / pthis-PostMessage(UM_MSG,sum); / theApp.PostThreadMessage(UM_MSG,sum,0); /* CString str; str.Format(_T(%d),sum); pthis-GetDlgItem(IDC_EDIT1)-SetWindowText(str);*/ return 0;2. 计算 /获得当前点击的单选按钮（即要计算的值） UpdateData(TRUE); switch (

18、m_nradio) case 0: m_nsum = 100; break; case 1: m_nsum = 1000; break; case 2: m_nsum = 10000; break; /将要计算的结果发送给线程A PostThreadMessage(m_nThreadID,UM_MSG,m_nsum,0);注意：如果是通过/ theApp.PostThreadMessage(UM_MSG,sum,0); 将数据由线程A 发向UI线程，则应该在APP类中，添加响应线程的自定义消息代码如下：void onmsg(WPARAM wparam,LPARAM lparam);ON_THR

19、EAD_MESSAGE(UM_MSG,&Cthread2App:onmsg)void Cthread2App:onmsg(WPARAM wparam,LPARAM lparam) CString str; str.Format(_T(%d),wparam); /GetDlgItem(IDC_EDIT1)-SetWindowText(str); 线程同步2课时虽然多线程能给我们带来好处，但是也有不少问题需要解决。例如，对于像磁盘驱动器这样独占性系统资源，由于线程可以执行进程的任何代码段，且线程的运行是由系统调度自动完成的，具有一定的不确定性，因此就有可能出现两个线程同时对磁盘驱动器进行操作，从而

20、出现操作错误；又例如，对于银行系统的计算机来说，可能使用一个线程来更新其用户数据库，而用另外一个线程来读取数据库以响应储户的需要，极有可能读数据库的线程读取的是未完全更新的数据库，因为可能在读的时候只有一部分数据被更新过。使隶属于同一进程的各线程协调一致地工作称为线程的同步。MFC提供了多种同步对象，下面只介绍最常用的四种： 临界区（CCriticalSection） 事件（CEvent） 互斥量（CMutex） 信号量（CSemaphore）通过这些类，可以比较容易地做到线程同步。 由一个卖火车票例子引入： 现在由xx 地到xx地 有1000张车票，火车站有10个窗口同时售票，直到卖完为止。

21、解题思路：首先，创建10个线程，同时执行卖票操作，线程在操作系统中并行或者并发的运行，不能保证同一张票就卖给一个人，或者 可能卖到负数的情况。所以引入临界区和互斥量。0 .考虑到多个线程访问一个变量的问题。可以采用原子访问。原子访问：指的是一个线程在访问某个资源的同时，能够保证没有其他线程会在同一时刻访问同一资源。Interlocked系列。InterlockedExchangeAdd(&g_x,1);InterlockedIncrement(&g_x);InterlockedDecrement(&g_x);Interlocked 系列函数非常好用。我们当然优先考虑使用它们。但是大多数实际的编

22、程问题需要处理的数据结构往往比一个简单的32位值 或者 64位值复杂的多。这个时候需要用到关键段 即临界区。关键段：是一小段代码，它在执行之前需要独占对一些共享资源的访问权。这种方式可以让多行代码以“原子方式”来对资源进行操控。这里的原子方式，指的是代码知道除了当前线程外，没有其他任何线程会同时访问该资源。当前系统仍然可以暂停当前线程去调度其他的线程，但是在当前线程离开关键段之前，系统是不会调度任何想要访问同一资源的其他线程。CRITICAL_SECTION g_cs; /比如 飞机上的卫生间 ，马桶则是我们要保存的数据IniticalizeCriticalsection(&g_cs); /初

23、始化CRITICAL_SECTION 中的成员变量EnterCriticalSection(&g_cs); /线程用它来检查占用标志的函数/有如下几种情况,（1）如果当前没有线程在访问资源（卫生间门上显示为无人），那么它将允许调用线程进入“卫生间”。将门上的标志置为有人.(2)如果EnterCriticalSection发现已经有另一个线程在“卫生间”，那么调用线程在“卫生间”门外等待（系统会为第一想要访问该“卫生间”的线程创建一个事件的内核对象，将其由用户模式切换到内核模式，处于等待状态），直到另一个线程离开“卫生间”为止。（系统会从一些想要访问“卫生间” 的线程中，将其中一个线程置为可调度

24、状态）LeaveCriticalSection(&g_cs); /离开“卫生间”，门上重新置为无人DeleteCriticalsection(&g_cs); /删除事件的内核对象，以及为CRITICAL_SECTION初始化的资源。注意：如果现在有线程正在访问临界区，其他想要访问临界区的线程走到EnterCriticalSection 的时候，EnterCriticalSection会把此线程由用户模式切换到内核模式（切换的时间大约是1000个CPU周期），当访问临界区的线程离开临界区，系统会将想要访问临界区的线程切换到可调度的状态。 切换过于浪费时间，（1）所以可以用TryEnterCrit

25、icalSection 来代替EnterCriticalSection。TryEnterCriticalSection线程在访问时，如果不能访问资源，那么它继续做其他事情，而不用等待。（2）用旋转锁。为了提高关键段的性能，microsoft把旋转锁合并到了关键段中 .因此，当调用EnterCriticalSection的时候，它会用一个旋转锁不断的循环，尝试在一段时间内获得访问权。只有当尝试失败的时候，线程才会切换到内核模式并进入等待状态。为了在使用关键段的时候同时使用旋转锁，我们必须调用下面的函数来初始化关键段。bool InitializeCriticalSectionAndSpinCou

26、nt( PCRITICAL_SECTION pcs, DOWD dwSpinCount);SetCriticalSectionSpinCount( /改变旋转锁的次数PCRITICAL_SECTION pcs, DOWD dwSpinCount)关键段和错误处理一使用 CCriticalSection 类 当多个线程访问一个独占性共享资源时,可以使用“临界区”对象。任一时刻只有一个线程可以拥有临界区对象，拥有临界区的线程可以访问被保护起来的资源或代码段，其他希望进入临界区的线程将被挂起等待，直到拥有临界区的线程放弃临界区时为止，这样就保证了不会在同一时刻出现多个线程访问共享资源。CCritic

27、alSection类的用法非常简单，步骤如下：1. 定义CCriticalSection类的一个全局对象（以使各个线程均能访问），如CCriticalSection critical_section； 2. 在访问需要保护的资源或代码之前，调用CCriticalSection类的成员Lock（）获得临界区对象： critical_section.Lock();3. 在线程中调用该函数来使线程获得它所请求的临界区。如果此时没有其它线程占有临界区对象，则调用Lock()的线程获得临界区；否则，线程将被挂起，并放入到一个系统队列中等待，直到当前拥有临界区的线程释放了临界区时为止。 4. 访问临界区完

28、毕后，使用CCriticalSection的成员函数Unlock()来释放临界区：critical_section.Unlock();通俗讲，就是线程A执行到critical_section.Lock();语句时，如果其它线程(B)正在执行critical_section.Lock();语句后且critical_section. Unlock();语句前的语句时，线程A就会等待，直到线程B执行完critical_section. Unlock();语句，线程A才会继续执行。 二使用互斥量CMUTEX类互斥量内核对象用来确保一个线程独占对于一个资源的访问。互斥量的用法相当于 现在有一堆人，等待空

29、中的气球（互斥量），一旦有人抢到了，则他独占，直到他释放互斥量。互斥对象包含一个使用计数、线程ID以及一个递归计数。线程ID：用来标识当前占用这个互斥量的是系统中那个线程。如果为false 则此互斥量是触发状态，否则，当前线程有对互斥量的拥有权。直到他释放，其他线程才可以拥有。递归计数：表示这个线程占用该互斥量的次数。互斥量CMUTEX类的用法非常简单，步骤如下：1. 创建互斥量HANDLE CreateMutex( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, /安全属性 BOOL bInitialOwner, /如果为false 则此互斥量是触发状态，否

30、则，当前线程有对互斥量的拥有权。 LPCTSTR lpName /互斥量的名字);2. 在线程函数中抢互斥量的拥有权，一旦拥有，则其他线程不可以再去抢夺WaitForSingleObject(pthis-m_mutex,INFINITE);直到此线程调用ReleaseMutex(pthis-m_mutex);其他线程可以继承，抢夺对互斥量的拥有权。互斥对象与临界区对象很像.互斥对象与临界区对象的不同在于:1. 互斥对象可以在进程间使用,而临界区对象只能在同一进程的各线程间使用。当然，互斥对象也可以用于同一进程的各个线程间，但是在这种情况下，使用临界区会更节省系统资源，更有效率。2. 关键段(临界区对象) 是用户模式下的同步对象，所以效率会高一些。互斥量是内核对象，内核对象的唯一缺点就是它们的性能。调用线程必须从用户模式切换到内核模式。这种切换是非常耗时的：在X86平台上，一个空的系统调用大概会占用200个CPU 周期当然，这还不包括执行被调用函数在内核