第七天 Thread(執行緒)--下

今天繼續來講執行緒，這麼多的thread程式設計者能透過執行緒庫所提供的API來管理及創建。而有兩種主要的方式來實做執行緒庫，一種是直接存在user space中，另外一種則是存在kernel space中，由作業系統來支持調配。目前主要使用的多執行緒庫有：Pthreads、Win32 threads跟Java threads，這裡我們只說Pthreads跟Java threads。

Pthreads是由IEEE 1003.1c的標準來定義創建的和操作執行緒的API。他可以提供給user-level或是kernel-level，而且他是一種定義並不是實作。
Java threads是由JVM所管理的，而他用什麼模型來實做，完全是看作業系統給他什麼樣的thread。Java threads的創建有兩種：繼承thread類別或是用Runnable interface產生間接的thread。

那隨著越來越多的thread產生，要能同步會比較困難，那我們就會運用到implicit thread。Implicit thread是由compiler(編譯器)跟run-time libraries來做。那有三種方法來實行：thread pools、OpenMP跟Grand Central Dispatch。
thread pools是一個存放等待被叫去工作的thread的地方，使用率很高。使用它有幾點好處：

• 省去重新生一個thread都成本
• 可以有到跟pool一樣大小的threads存在
• 可以同步處理要求，不用中斷

OpenMP是由compiler來做，提供平行運作在shared-memory的環境中，而且定義平行區域內，哪個code能平行執行。

Grand Central Dispatch是apple的方法，容許識別平行的部分，而且在做thread時，可以不用處理那麼多的事情。Compiler會分割block內的資料到dispatch queue，這樣就可以同步執行。dispatch queue有兩種型態：serial跟concurrent。
Serial就是先送先處理(FIFO原理)，像是main queue。Concurrent則是可以同時進行，不用照順序。

那thread還有一些議題我們可以討論：

1. fork()跟exec() system call語義：
   當thread要被創建時，會運用fork() system call，這時就會看系統是要單一創建被互叫的thread，還是把所有的thread都複製出來。
   用exec() system call的話，就會執行process中所有的thread。

2. 訊號(signal)的處理：
   Signal對UNIX來說是一個重要的機制，用來通知process抹些事件的發生。會有signal handler來管理這些signal，而signal會生成生是因為被某些特定的事件觸發而產生的。signal handler有兩種處理方式：default或是使用者自己定義。

單一個執行緒時，訊號會直接由process處理，如果是多重執行緒時，毀有以下幾種方式處理：

• 把訊號傳到應用的thread
• 把訊號傳給所有的thread
• 把訊號傳給process中特定thread
• 選一個thread接收所有的訊號

3. 執行緒的取消：
   在執行緒完成前，就把它結束掉，而這個被結束掉的thread，我們叫它target thread。提早結束的方式有三種，asynchronous cancellation、deferred cancellation跟actual cancellation。
   asynchronous cancellation是當下說取消就取消; deferred cancellation則是等到他執行到一個週期後才取消掉; actual cancellation會看現在thread是什麼狀態，如果是disabled就要等到enabled時才能取消掉。

4. 執行緒自己的儲存庫：
   每一個執行緒都准許擁有自己的儲存庫(Thread-Local Storage ,TLS)，對thread來說是獨一無二的，不會影響到其他thread的資料。他跟local variable不同的是他可以被自己以外的function看到，就像static一樣。

5. 排程的啟動：
   LWP (lightweight process)，在user thread跟kernel thread中間的資料結構(中介程式)，提供虛擬的process做排程，每個LWP都會跟kernel thread做連結。在溝通的機制中，排程的啟動會提供向上呼叫(upcall)的功能，從kernel 到thread library的upcall handler，這個溝通讓程式能維持正確的kernel thread數量。

我們來以作業系統舉例：

在windows中，一個thread有：

1. ID
2. 表示處理器狀態的register
3. User stack、kernel state(在不同地方，用不同stack)
4. 私有的資料存放庫
   其中2~4皆被稱為context

Thread主要的資料結構有以下幾種：

1. ETHREAD：包含thread所屬process的指標和指向KTHREAD的指標(不包含thread)
2. KTHREAD：包含排程跟同步的資料、kernel stack和指向TED的指標(kernel thread)
3. TED：包含ID、user stack、執行緒自己的儲存庫。(thread 環境)
   ETHREAD和KTHREAD都屬於kernel space，TED則屬於user space。
   

在Linux中，thread被稱為tasks。Thread的產生是由clone() system call執行，而非fork()。而task生成後，允許跟parent task(process)分享address space。