广东工业大学操作系统实验：线程模型与多线程编程的专业指南


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 线程模型基础与理论

在现代操作系统的设计和实现中，线程模型是多任务并发执行的基础。线程，作为轻量级进程，在资源消耗和上下文切换时间上均优于传统进程，已成为软件开发中实现并行处理的关键技术。

## 1.1 线程的基本概念

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。线程之间共享进程资源，但同时拥有自己的执行序列，可以并发执行。

## 1.2 线程与进程的关系

进程是资源分配的基本单位，而线程则是调度和执行的基本单位。一个进程可以创建多个线程，这些线程可以共享进程的资源，但执行的代码是独立的。

## 1.3 线程的分类

按照线程在操作系统中的实现，线程主要分为用户级线程（ULT）和内核级线程（KLT）。ULT在用户空间实现，而KLT则由操作系统内核直接支持。

通过本章的介绍，读者应能够理解线程模型的基本概念及其与进程的关系，为后续章节深入探讨线程创建、控制、同步、通信等奠定基础。

# 2. 深入理解线程的创建与控制

## 2.1 线程的生命周期

### 2.1.1 线程状态转换

线程的生命周期从创建开始，经过若干状态转换，最终到达终止状态。在Java中，线程主要有六种状态，分别是：New（新建）、Runnable（就绪）、Running（运行）、Blocked（阻塞）、Waiting（等待）和TimedWaiting（计时等待）、Terminated（终止）。这些状态之间的转换关系描述了线程的生命周期。

线程创建后，首先进入新建（New）状态，通过调用start()方法，线程进入就绪（Runnable）状态，等待CPU调度。如果线程获得CPU时间片，将进入运行（Running）状态。在运行过程中，线程可能因为各种原因进入阻塞（Blocked）状态，例如，等待I/O操作完成或者等待监视器锁。线程在特定条件下，还可以进入等待（Waiting）状态，或者计时等待（TimedWaiting）状态，比如调用Object.wait()，Thread.sleep()等方法。当线程执行完毕或遇到异常，将进入终止（Terminated）状态。

Thread t = new Thread(() -> {
    // 线程执行的操作
});
t.start(); // 从New状态转换到Runnable状态

上述代码演示了线程从创建到就绪状态的转变。一旦线程对象被创建，并执行了start()方法，它就会进入就绪状态，等待CPU的调度。

### 2.1.2 线程调度与优先级

Java虚拟机（JVM）采用抢占式调度的方式管理线程的执行。这意味着每个线程会轮流获得CPU时间片运行。线程调度器会根据线程的优先级决定哪个线程获得执行机会，优先级越高，获得CPU时间片的机会也越大。在Java中，可以通过setPriority(int newPriority)方法设置线程的优先级，取值范围从1（最低）到10（最高），默认优先级为5。

线程调度的策略还受操作系统调度算法的影响。在多处理器系统中，不同的JVM实现可能采取不同的调度策略。通常，如果一个线程长时间得不到CPU时间片，调度器会为它提升一些优先级，保证线程的公平执行。

Thread t = new Thread(() -> {
    // 线程执行的操作
});
t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置线程优先级为最高
t.start();

在上述示例中，我们创建的线程优先级被设置为最高，这增加了它被调度器优先执行的可能性。但是要注意，即使优先级较高，也不能保证线程立即执行，只能说是增加了执行的机会。

## 2.2 线程同步与通信

### 2.2.1 同步机制：互斥锁与条件变量

在多线程编程中，线程安全是一个重要考虑因素。互斥锁（Mutex）与条件变量（Condition Variable）是两种常用的同步机制，它们能够确保线程间的协作和数据的一致性。

互斥锁可以保护共享资源，防止多个线程同时操作同一资源导致数据不一致。Java中的synchronized关键字提供了互斥锁的功能。当多个线程尝试进入同一个对象的synchronized方法或代码块时，它们将被排队等待，直到锁被前一个线程释放。

条件变量是与互斥锁结合使用的同步工具，它允许线程在某些条件不成立时挂起等待，直到其他线程改变了这个条件并通知它。在Java中，这通过Object类的wait()、notify()和notifyAll()方法来实现。

public class SharedResource {
    private final Object lock = new Object();
    private int count = 0;
    public void increment() {
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }
    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

以上代码定义了一个共享资源类，其中count变量被synchronized修饰的方法保护。这样，无论多少个线程同时访问这些方法，它们都会被正确地同步，保证了线程安全。

### 2.2.2 通信机制：信号量与事件

除了互斥锁和条件变量，信号量（Semaphore）和事件（Event）也是实现线程间通信和同步的重要机制。

信号量是一种更通用的同步机制，它可以控制同时访问资源的线程数量。在Java中，信号量可以通过java.util.concurrent.Semaphore类实现。信号量维护了一个内部计数器，线程通过acquire()方法获得许可，release()方法释放许可。如果计数器为零，则acquire()方法将阻塞，直到有其他线程释放许可。

事件是一种线程间通信机制，用来通知其他线程某个条件已经发生。在Java中，可以使用java.util.concurrent.locks.Condition接口，通过await()和signal()方法实现线程间的等待/通知机制。事件是条件变量的更一般形式，通常用于实现复杂的同步模式。

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class SemaphoreExample {
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(1); // 最多允许一个线程进入
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public void doTask() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire();
        try {
            int result = count.incrementAndGet();
            // 模拟任务执行需要的时间
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("Count after increment: " + result);
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

在此示例中，信号量被用来保证最多只有一个线程能够执行增加计数的操作。任何尝试进入的线程都会被信号量控制，直到前一个线程释放了资源。

## 2.3 线程的异常处理

### 2.3.1 异常捕获与处理策略

多线程程序中，异常处理是保证程序健壮性的关键。线程在执行过程中可能会抛出未捕获的异常，导致线程终止。在Java中，线程可以使用try-catch语句捕获并处理这些异常。

异常处理策略中最常见的是在线程运行的方法中直接捕获和处理异常。不过，有时候，将异常信息传递回线程的创建者也是一种好的实践。通过覆写Thread类的run()方法，可以在方法内捕获异常，避免程序因异常而终止。同时，也可以将异常信息保存到线程之外的存储中，比如日志文件，供后续分析。

public class ExceptionHandlingThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 可能抛出异常的代码
        } catch (Exception e) {
            // 处理异常
            System.err.println("Thread encountered an exception: " + e.getMessage());
        }
    }