Chapter 4 多執行緒 (Multi Thread)

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1 Chapter 4 多執行緒 (Multi Thread)
4.1 概論 4.2 多執行緒模式

2 4.1 概論(Overview) 執行緒(Thread)是 CPU 使用時的一個基本單位，它是由一個執行緒ID、程式計數器(Program Counter)、一組暫存器(Register)，以及一個堆疊(Stack)空間所組成。

3 動 機(Motivation) 許多在桌上型PC執行的套裝軟體都是多執行緒。應用程式通常都製作成有許多執行緒控制的個別行程。網頁瀏覽器可能有一個執行緒顯示影像或文字，而另一執行緒則從網路擷取資料。文書處理器可能有一個執行緒在顯示圖形，另一個執行緒從使用者讀入按鍵，而第三個執行緒在背景下執行拼字和文法校正。

4 4.1.2 利益(Benefits) 撰寫多執行緒程式有下列四個好處:
應答(Responsiveness): 將交談式的應用程式多執行緒化，可以在一個程式某一部份被暫停，或程式在執行冗長操作時，依然繼續執行，因此增加了對使用者的應答。 資源分享(Resource Sharing): 執行緒間將共用它們所屬行程的記憶體和資源。程式碼和資料共用的好處是讓應用程式有數個不同的執行緒在同一位址空間活動。 經濟(Economy): 對於行程產生所配置的記憶體和資源耗費很大。反之，因為執行緒共用它們所屬行程的資源，所以執行緒的產生和內容交換就比較經濟。憑經驗去測量出產生和維護行程比執行緒多出多少時間可能很困難，但通常產生和維護行程會比執行緒更費時。 可擴展性(Scalability): 在多處理器的架構下，多執行緒的利益可以大幅提升，因為每一執行緒可以並行地在不同的處理器上執行。不論有多少CPU可以使用，單一執行緒只能在一個CPU上執行。

5 4.1.3 多核心程式的撰寫(Multicore Programming)
在多核心系統中編寫程式，目前的挑戰有以下五個領域： 1.切割活動(Dividing Activities)： 檢查應用程式來找出可以被切割成個別的、同時發生的任務，因此可以在個別的核心上平行地執行。 2.平衡(Balance)： 當識別任務可以平行地執行時，程式員也必須保證任務執行為相等的工作。 3.資料分裂(Data Splitting)： 正如同應用程式被分割成個別的任務，藉由任務來存取和運用的資料必須被分割到個別的核心上執行。 4.資料相依性(Data Dependency)： 藉由任務存取的資料必須在兩個或多個任務之間檢查其相依性。在一個任務依靠另一個任務的情況下，程式員必須確認任務的執行與資料的相依性是同步的。 5.測試與除錯(Testing & Debugging)： 當一個程式在多核心上平行地執行時，有許多不同的執行路徑。測試和除錯這類同步的程式原來就比測試和除錯單一執行緒的應用程式更加困難。

6 4.2 多執行緒模式(Multithreading Models)
執行緒的支援可以由使用者層次提供(User Thread)或是由核心提供(Kernel Thread) 使用者執行緒的支援是在Kernel之上，核心執行緒直接由OS支援和管理 4.2.1 多對一模式(Many-to-One Model) 只有一個使用者執行緒可以存取Kernel 數個執行緒也不能在Multiprocessor並行處理 一旦其中一個使用者執行緒 呼叫System Halt時, 整個Process就暫停

7 4.2.2 一對一模式(One-to-One Model)
Each user-level thread maps to kernel thread Examples Windows NT/XP/2000 Linux Solaris 9 and later 允許MultiThreading在Multi Processor上並行執行 產生User Thread時就要產生相對應的Kernel Thread 產生Kernel Thread的額外負擔造成應用程式性能(Performance)上的負擔

8 4.2.3 多對多模式(Many-to-Many Model)
Allows many user level threads to be mapped to many kernel threads Allows the operating system to create a sufficient number of kernel threads Solaris prior to version 9 Windows NT/2000 with the ThreadFiber package

9 二層模式 (Two-level Model)
Similar to M:M, except that it allows a user thread to be bound to kernel thread Examples IRIX HP-UX Tru64 UNIX Solaris 8 and earlier