【操作系统作业-lab4】 linux 多线程编程和调度器

linux多线程编程

参考：https://blog.csdn.net/weibo1230123/article/details/81410241

https://blog.csdn.net/skyroben/article/details/72793409

1.背景知识

Linux没有真正意义上的线程，它的实现是由进程来模拟，所以属于用户级线程，位于libpthread共享库（所以线程的ID只在库中有效），遵循POSIX标准。

Linux上两个最有名的线程库LinuxThreads和NPTL。两个线程模型的比较：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-threading.html

2.线程控制

在linux系统下，线程相关的函数都定义在pthread.h头文件中

创建线程函数-------pthread_creat函数

#include<pthread.h>
int pthread_creat(pthread_t thread, const pthread_attr_t* attr, void*(*start_routin)(void *), void* arg);

参数解释
* thread参数是新线程的标志符，为一个整型。
* attr参数用于设置新线程的属性。给传递NULL表示设置为默认线程属性。
* start_routin和arg参数分别指定新线程将运行的函数和参数。start_routin返回时，这个线程就退出了
* 返回值：成功为0，失败返回错误号

线程id的类型是pthread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中pthread_t可能有不同的实现，调用pthread_self()可以获取当前进程的id。

进程id的类型时pid_t,每个进程的id在整个系统中是唯一的,调用getpid()可以获得当前进程的id,是一个正整数值。

终止线程-------pthread_exit() 函数和 pthread_cancel()函数

终止某个线程而不是终止一个进程，可以可以有三种方法:

1.从线程函数return，在creat时候的第三个参数。这种方法对主线程不适应，从main函数return相当于调用exit。

2.一个线程可以调用Pthread_cancle终止同一进程中的另一个线程。

3.线程可以调用pthread_exit终止自己

#include<pthread.h>
int pthread_cancle(pthread_t thread);

*thread 是线程标识符
*该函数成功返回0，失败返回错误码

#include<pthread.h>
void pthread_exit(void *reval);

*retral 是void*类型，其他线程可以调用Pthread_join获得这个指针。需要注意，需要注意,pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是由malloc分 配的,不能在线程函数的栈上分配,因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。
*pthread_exit函数通过retval参数向线程的回收者传递其退出的消息。它执行之后不会返回到调用者，且永远不会失败。

线程等待-----pthread_join

#include<pthread.h>
void pthread_join(pthread_t thread, void ** retval)

*调用该函数的线程将挂起等待，知道id为thread的线程终止
*thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的

3.分离线程

1.在任何一个时间点上，线程是可结合的（joinable）或者是分离的（detached）。

2.一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死。在被其他线程回收之前，它的存储器资源
（例如栈）是不释放的。（默认情况下线程的创建都是可结合的）

3.一个分离的线程是不能被其他线程回收或杀死的，它的存储器 资源在它终止时由系统自动释放。

4. 如果一个可结合线程结束运行但没有被join，会导致部分资源没有被回收，所以创建线程者应该调用pthread_join来等待线程运行结束，并可得到线程的退出代码，回收其资源。

linux线程执行和windows不同，pthread有两种状态joinable状态和unjoinable状态，如果线程是joinable状态，当线程函数自己返回退出时或pthread_exit时都不会释放线程所占用堆栈和线程描述符（总计8K多）。只有当你调用了pthread_join之后这些资源才会被释放。若是unjoinable状态的线程，这些资源在线程函数退出时或pthread_exit时自动会被释放。

unjoinable属性可以在pthread_create时指定，或在线程创建后在线程中pthread_detach自己, 如：pthread_detach(pthread_self())，将状态改为unjoinable状态，确保资源的释放。或者将线程置为 joinable,然后适时调用pthread_join.
    其实简单的说就是在线程函数头加上 pthread_detach(pthread_self())的话，线程状态改变，在函数尾部直接 pthread_exit线程就会自动退出.

实例：

 #include <pthread.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #define NUM_THREADS    5

 struct msg{
   int id;
   char* word;
 };

 //thread要运行的方法
 void PrintHello(struct msg* arg)
 {
   printf("%s%d!\n", arg->word, arg->id);
   arg->id=;
   pthread_exit(NULL);
 }

 int main(int argc, char *argv[])
 {
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   //创建线程id
   struct msg arg[NUM_THREADS];
   //创建msg数组群
   char* word = "Hello World! It's me, thread #";

   //分别创建5个线程
   for(int t=;t<NUM_THREADS;t++){
     printf("In main: creating hread %d\n", t)t;
     arg[t] = (struct msg){t, word};
     pthread_create(&threads[t], NULL, &PrintHello, &arg[t]);
     //arg作为参数传入新线程运行的函数PrintHello里，四个参数分别是线程id，默认格式，线程运行的函数，函数参数。函数结束及新线程结束运行
   }

   //让主线程依次等待各个线程执行完各自的函数后结束主线程
   for(int t=;t<NUM_THREADS;t++)
     pthread_join(threads[t], NULL);//主线程挂起等待直到调用的函数结束
   printf("\nall threads finish.\n");
   /* Last thing that main() should do */
   pthread_exit(NULL);//主线程终止自己
 }

OS 调度器

1.几个概念

Program： a group of instructions to carry out a specified task

　　　　　　--stored on disk in some file

Process: an execution of certain program with its own address space and control of one or more threads

--resources: CPU, memory address, disk, IO ...

　　　　　--one program can invoke multipleprocesses

Thread: the unit of execution in CPU

Job: a series of program submitted to operating system for some goals

2.背景信息

OS 有三种进程调度队列：Job Queue，Ready Queue，DeviceQueue

Job Queue：进程都被存储在外部存储里，还未被唤醒的进程们。

Ready Queue：process 已经准备好 并且等待CPU来运行它们 ， 存储在main memory里面

Device Queue：一个IO waitting queue，等待IO所以暂时让出CPU，blocked processes stored

multiprogramming 的degree：  the number of processes in memory

IO-bound process ：  spends more time doing I/O than doing computations

CPU-bound process：doing I/O infrequently but using more time on computations

 3. 调度系统

一个作业（job）提交到操作系统后，将经历三种调度：

　　-长期调度程序 long-term scheduler

　　-中期调度程序 medium-term scheduler

　　-短期调度程序 short-term scheduler

-长期调度程序 long-term scheduler：

　　选择disk里的进程，load 到ready queue里，选择时考虑IO-bound 和 CPU-bound

调度器出现在job queue --->ready queue里面

-短期调度程序 short-term scheduler（也叫CPU scheduler）

　　从ready queue里选择一个process，放到CPU里运行。

调度器出现在ready queue到CPU的进度里，此处可以执行的调度算法有SJF，RR，priority等

-中期调度程序 medium-term scheduler（也叫swapping scheduler）

　 swap一个process（或者是IO bound或者是CPU bound）出CPU，back into memory

调度器出现在cpu--ready queue || job queue

三个调度系统的比较：

4.被CPU安排的进程的一生：