《智能產品》 課件 第5章智能產品中線程的本質與管理

智能產品

第五章智能產品中的線程本質與管理

15智能產品中的線程本質與管理25.1線程與進程的概念、聯(lián)系與區(qū)別5.2線程的創(chuàng)建和銷毀5.3線程的同步和互斥、線程的調度和優(yōu)化5.4智能產品中多線程的應用案例5.1線程與進程的概念、聯(lián)系與區(qū)別線程與進程的概念

進程（Process）：進程是計算機系統(tǒng)中運行的程序實例，它是系統(tǒng)進行資源分配和保護的基本單位。進程相對獨立，進程間數(shù)據相互隔離，每個進程都代表了程序在其生命周期內的一次動態(tài)執(zhí)行過程，它有其獨立的虛擬地址空間，包含程序的代碼段、數(shù)據段、打開的文件、設備、網絡鏈接、堆棧信息等資源，以及程序的動態(tài)執(zhí)行狀態(tài)。

線程（Thread）：線程是進程中能獨立執(zhí)行的子任務，是系統(tǒng)進行獨立調度和執(zhí)行的基本單位。在引入線程之前，進程既是資源分配的基本單位，也是CPU調度的基本單位。引入線程后，線程才是CPU調度的基本單位。一個進程可以包含多個線程，線程相比進程更加輕量級，創(chuàng)建、撤銷和線程切換的開銷很小，適用于高并發(fā)的任務場景。35.1線程與進程的概念、聯(lián)系與區(qū)別進程和線程的定義、特點和組成455.1線程與進程的概念、聯(lián)系與區(qū)別在計算機科學中，理解線程和進程的概念及其相互關系是理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基礎。本節(jié)將詳細解析線程與進程之間的聯(lián)系與區(qū)別，并探討在實際應用中如何根據需求選擇使用線程或進程，其聯(lián)系和區(qū)別如圖所示圖5-2進程和線程的聯(lián)系和區(qū)別5.1線程與進程的概念、聯(lián)系與區(qū)別在實際應用中，選擇使用線程還是進程是設計并發(fā)系統(tǒng)時的關鍵決策之一。線程和進程都是操作系統(tǒng)中用于實現(xiàn)并行處理的基本概念，但它們在資源管理、通信方式和執(zhí)行效率等方面有著明顯的差異。6考慮因素資源隔離程度編程難度和復雜性性能與并發(fā)要求75.2線程的創(chuàng)建和銷毀線程創(chuàng)建14253創(chuàng)建線程時，首先需要進行線程的初始化，需要指定線程的入口函數(shù)、傳遞到線程的參數(shù)、線程的屬性等。1、線程的初始化線程控制塊）是操作系統(tǒng)用來記錄和管理線程狀態(tài)和上下文的數(shù)據結構。在創(chuàng)建線程時，操作系統(tǒng)會為新線程創(chuàng)建一個TCB。3、線程塊的設置線程調度器負責決定哪個線程能獲得CPU的使用權。5、線程的調度每個線程有獨立的棧空間用于存儲局部變量、函數(shù)調用時的返回地址、寄存器值等，因此在創(chuàng)建時操作系統(tǒng)會為新線程分配一塊棧內存。2、線程棧的分配當線程調度器選擇該線程進行調度時，會發(fā)生上下文切換，將CPU控制權從之前運行的線程轉移到這個新創(chuàng)建的線程。新線程正式開始執(zhí)行4、線程的啟動85.2線程的創(chuàng)建和銷毀線程的創(chuàng)建是多線程編程中的一個基本過程，如圖5-3所示。圖5-3線程創(chuàng)建過程95.2線程的創(chuàng)建和銷毀線程銷毀方法

線程銷毀一般發(fā)生在線程完成了預先指定的任務或者遇到異常等需要提前終止。銷毀線程的意義在于釋放其占用的系統(tǒng)資源。線程可以主動退出，也可能由開發(fā)者編碼，通過進程中的其他線程協(xié)調退出。（1）主動退出線程任務執(zhí)行完畢調用線程退出函數(shù)（2）其他線程協(xié)調退出（3）資源回收與清理清理局部資源同步對象的釋放線程棧的回收105.3線程的同步和互斥、線程的調度和優(yōu)化同步與互斥機制

在多線程環(huán)境中，當多個線程需要訪問共享資源時，為了保證數(shù)據的完整性和一致性，必須引入同步與互斥機制。這些機制能夠確保在任何時刻只有一個線程能夠訪問特定資源，或者協(xié)調多個線程之間的操作順序。實現(xiàn)同步與互斥的方法互斥鎖（std::mutex）條件變量（std::condition_variable）讀寫鎖（std::shared_mutex和std::shared_lock）115.3線程的同步和互斥、線程的調度和優(yōu)化同步與互斥機制為了保證線程間數(shù)據的正確性，除了正確使用同步與互斥機制外，還需要注意以下幾點：最小化鎖的范圍盡量縮短持有鎖的時間，以減少線程間的競爭。避免死鎖確保線程在獲取多個鎖時，總是以相同的順序獲取，以防止發(fā)生死鎖。優(yōu)先使用高級并發(fā)容器論文就是用來進行科學研究和描述科研成果的文章，簡稱之為論文。它既是探討問題進行科學研究的一種手段，又是描述科研成果進行學術交流的一種工具。仔細測試多線程程序很難調試，因此務必進行充分的測試，確保在各種并發(fā)場景下數(shù)據的正確性。125.3線程的同步和互斥、線程的調度和優(yōu)化

線程調度算法線程調度是指操作系統(tǒng)決定哪個線程可以獲得CPU資源并執(zhí)行的過程。線程調度算法優(yōu)點缺點先來先服務(FCFS)實現(xiàn)簡單可能導致短作業(yè)長時間等待短作業(yè)優(yōu)先（SJF）可以最小化平均等待時間需要預測執(zhí)行時間，且可能導致長作業(yè)饑餓優(yōu)先級調度靈活，可以根據需要設置線程的優(yōu)先級可能導致低優(yōu)先級的線程饑餓輪轉調度（RR）公平性好，響應時間短可能導致上下文切換開銷大多級隊列調度可以適應不同類型的線程需求設計和實現(xiàn)復雜135.3線程的同步和互斥、線程的調度和優(yōu)化線程優(yōu)化策略

多線程程序的性能優(yōu)化是一個復雜的過程，涉及多個方面。以下是一些關鍵的優(yōu)化策略：1）減少線程創(chuàng)建和銷毀的開銷 線程池 避免不必要的線程創(chuàng)建2）降低上下文切換的開銷 減少線程數(shù)量 調整時間片大小3）提高數(shù)據局部性和緩存利用率 數(shù)據局部性優(yōu)化 避免偽共享4）減少同步和互斥的開銷 細化鎖粒度 避免死鎖和活鎖 使用無鎖數(shù)據結構或算法5）利用并行計算和向量化 并行化算法 向量化代碼6）優(yōu)化I/O操作 異步I/O 緩沖區(qū)管理7）使用性能分析工具利用性能分析工具（如perf、gprof等）來識別程序的性能瓶頸，并針對性地進行優(yōu)化。145.4 智能產品中多線程的應用案例多線程應用場景

多線程在智能產品中的應用非常廣泛，尤其是在需要并發(fā)處理和提高系統(tǒng)響應速度的場景中。以下是一些多線程在智能產品中的具體應用場景：多線程應用場景案例并發(fā)處理智能音箱；智能家居系統(tǒng)提高系統(tǒng)響應速度智能手機；智能穿戴設備后臺任務處理智能云服務；智能家電分布式計算和并行計算智能安防系統(tǒng)；智能駕駛（1