游戏中的线程和用户态和内核操作系统的区别

在谈论同步和互斥锁之前，您需要熟悉一些与计算机进程和线程相关的基本计算机概念

每个应用程序（例如游戏）都作为进程执行。但是，游戏需要图形渲染，需要网络，需要响应用户的动作，而这些行为不能相互阻挡，必须同时完成，所以被设计成线程化。现代CPU以多线程为主，下面内容以多线程为主，我们多说的就是线程的调度。

计算机的资源

我们经常谈论操作系统分配资源的需要，最重要的三个资源是：计算资源（CPU）、内存资源和文件资源。计算机的CPU是有限的，往往有多个任务需要执行，CPU不能同时执行所有任务，而只能一个一个地执行，这相当于将计算资源分配给任务（线程），获得计算资源的任务就可以执行。文件资源（如存储在计算机上的文件）是文件资源。

归根结底，无论是计算机的组成还是

操作系统，它面临着资源有限，而且任务（用户）有很多使用资源，如何合理安排资源，以便任务能够更好的执行，无论是线程和进程的设计，还是计算机的三级存储结构，都是在权衡利弊和成本的基础上设计的， 以便更好地规划资源。

操作系统的内核

用户模式和内核模式

内核线程和用户线程

在设计线程时，它们被称为轻量级进程，因为只分配计算资源 （CPU）。它的分配方式是操作系统调度线程。操作系统创建进程后，将进程的入口程序分配给主线程执行，这样看起来操作系统在调度进程，但实际上是调度进程中的一个线程。

这种直接由操作系统调度的线程，我们也变成了内核级的线程。此外，在某些编程语言或应用程序中，用户（程序员）也自己实现线程。它相当于操作系统调度主线程，主线程的程序用一种算法实现子线程，我们称之为用户级线程。Linux API 是用户级线程，API 是内核级线程。

哪里的进程开销大于线程的开销？

以 Linux 为例：在 Linux 中创建一个进程，自然会创建一个线程，这个线程就是主线程。创建一个进程，需要为该进程分配一个完整的内存空间，并且有很多初始化操作，例如对内存进行分段（堆栈、正文区域等）。创建线程要简单得多，因为您可以确定 PC 指针和寄存器的值，并为线程分配一个堆栈来执行程序，从而允许在同一进程的多个线程之间重用堆栈。因此，创建进程比创建线程慢，并且进程的内存开销更大。线程的同步和互斥 什么是

同步，什么是互斥？同步：线程同步

并不意味着线程同时运行，而是线程按照一定的顺序执行，以便可以同步最终数据。想想这样的场景，教室里有很多学生，每个学生都在说闲话，有很多困惑。如果这些学生一个接一个地说话，或者作为一个小组说话，就会显得井然有序，每个人都能听到他们在说什么。同样，在多线程的情况下，如果不加以控制，多个线程一起添加或修改数据，数据会异常混合，就像咿咿呀呀的声音一样。编写程序的目的无非是处理数据，处理数据的输入和输出，如果最终输出不在你的控制之下，这个程序有什么用呢？

互斥：有一些资源，例如打印机。一次只能由一个线程访问，不允许多个线程同时访问它，这种资源称为关键资源。因此，当一个线程访问此资源时，其他线程无法访问它，这称为互斥锁。[关键区域：访问关键资源的代码称为关键区域。线程只有在首先进入关键区域时才能访问关键资源。】

一般来说，为了实现同步，首先要实现互斥性。例如，在上面同步引用的场景中，如果我们想让学生一个接一个地说话，我们必须首先确保一个学生说话时，其他学生不说话，这是一种相互排斥。

操作系统如何实现同步使用互

斥锁：使用互斥机制，只有具有互斥锁的线程才能访问公共资源。因为只有一个互斥锁，所以保证了公共资源不会同时被多个线程访问。例如，Java 中的关键字和各种锁都是这种机制。

使用 （）：它允许多个线程同时访问同一资源，但需要控制同时访问该资源的最大线程数

什么是信号量？请看以下示例

考虑有两个函数，向上和向下。 向上增加 1 的锁，向下使锁减少 1。当 lock 为 0 时，如果它仍然处于向下功能，它将旋转。

其中 cas 是指 CPU 中的原子操作，其伪代码形式可以表示为：cas（&， ， ）。例如，如果我们想做 A++;假设 a 的初始值为 0，我们可以这样写 cas（&a， 0， 1），这是什么意思？如果 a 的值为 0，我会将 a 的值更新为 1，然后写回去，否则 a 的值不会更新。为什么运行 A++ 如此麻烦？为了防止其他线程在多线程并发的情况下更改 a 的值

up(&lock){
  while(!cas(&lock, lock, lock+1)) { }
}
down(&lock){
  while(!cas(&lock, lock, lock - 1) || lock == 0){}
}

在执行以下程序时考虑多线程

int lock = 2;
down(&lock);
// 临界区
up(&lock);

如果只有一个线程在临界区域，则锁等于 1，第二个线程可以进入。如果两个线程处于临界区域，则第三个线程在尝试关闭时将陷入自旋锁。当然，我们也可以通过其他方式替换自旋锁，例如休眠线程。

当 lock 的初始值为 1 时，模型实现互斥锁。如果锁大于 1，则允许多个线程同时进入临界区域。这种方法称为信号量（）。

使用事件：例如 Wait/：通过通知操作使多个线程保持同步。操作系统实现互斥锁的方式：

单旗法：设置一个常用的整数变量：turn。例如，turn = 1 表示运行 1 的进程进入临界区域获取临界资源，不允许其他线程进入。

先双旗方法检查：每个线程在进入关键区域访问关键资源之前，先检查关键资源是否被访问，如果是，线程需要等待。如果未访问关键资源，则线程将进入关键区域以访问关键资源。我们可以设置一个 flags[]， flag[i] = true 数组，这意味着 i 正在访问关键资源，而 flag[i] = false 表示线程没有访问关键资源。当线程 i 检测到没有其他线程正在访问关键资源时，它会进入关键区域并将 flag[i] 设置为 true。

可能的问题：两个线程同时进入临界区域。由于线程首先检查是否有其他线程访问关键资源，然后在没有其他线程访问关键资源时进入关键区域以访问关键资源，因此这两个步骤之间有一定的时间间隔。考虑两个线程，T1 和 T2。T1 首先检查是否有线程没有访问关键资源，检查结果显示没有其他线程正在访问关键资源，因此准备进入关键区域访问关键资源，T1 即将进入但尚未进入。T2 也开始检查是否有线程访问关键资源，检查结果发现没有线程访问关键资源，于是 T2 也开始准备进入关键区域访问关键资源。好吧，T1 和 T2 都检测到没有其他线程正在访问关键资源，并且都进入了关键区域，这显然违反了互斥锁。双标志

后检查：双标志检查优先方法在设置自己的标志之前检测关键资源的状态。对于准备访问关键资源的线程，情况正好相反，它首先将自己的标志设置为 true，然后检查其他线程的标志，如果它检测到另一个线程的标志为 true，则线程将等待，否则进入关键区域。

可能的问题：导致饥饿状态，没有一个线程可以进入临界区域。考虑两个线程，T1 和 T2。T1 准备访问关键资源，并将其标志设置为 true。在 T1 开始检测其他线程的状态之前，T2 即将访问关键资源，因此 T2 迅速将其标志设置为 true。那么，当这两个线程检查其他线程是否访问关键资源时，它们可以检查另一个线程的标志位是否为 true，并且两个线程处于死锁状态，并且它们都无法访问关键资源

（'s） 算法：除了使用 flag[] 数组来指示线程是正在访问关键资源还是即将访问关键资源外，还设置了一个公共变量 turn。

伪代码如下：

考虑两个线程，I 和 J。

首先考虑 3 的情况。首先是 i 线程已准备好访问关键资源，因此它将其标志设置为 true。然后，i 线程假设 j 线程此刻正在访问关键区域，因此它设置为 j。此时，J 线程也即将访问关键资源，因此它将其标志设置为 true，并且 J 线程也做了一个假设，假设此刻是访问关键区域的 i 线程，因此它将 true 的值设置为 i。最终，true 的值变为 i。紧接着，i 线程开始判断 while 循环中的条件，flag[j] == true 为 true，但是 turn 的值已经被 j 线程设置为 i，所以 turn == j 不为真，所以循环条件不满足，i 线程不执行循环，i 线程成功进入临界区域， 避免了双旗法引起的饥饿问题。

中断屏蔽方法

当线程获取CPU的计算资源时，除非发生中断，否则不会进行线程切换。我们的计算机可以同时运行多个程序，并不是说这些程序同时获取CPU的计算资源，而是CPU不断切换线程或进程，比如先执行线程A，执行一段时间，然后向线程A发起中断请求，线程A被打断， 然后交出运行权限，然后进行线程切换。然后 CPU 抢先执行 B 线程。线程 B 执行一段时间并切换到其他线程。CPU速度非常快，可以在短时间内执行大量代码，线程切换速度非常快，因此产生了程序并行执行的现象。

当一个线程准备好访问关键资源时，它首先屏蔽了中断，这意味着线程不会被中断，这意味着该线程是 CPU 独占的，其他线程不会被执行。

硬件指令方法

在计算机中，有些指令是原子的，这意味着执行过程不会因为线程切换而中断。例如，TAS（测试和设置）、CAS（和交换）。回想一下我们什么时候使用软件来实现互斥方法，例如双标志检查，无论是先是还是后。存在被打断的问题。例如，T1 线程首先检测到并发现没有其他线程在使用关键资源，但就在 T1 即将进入且尚未进入时，T2 线程来捣乱并偷偷更改了一些标志。由于 T1 已经过测试，它认为一切正常并继续执行，但部分内容已被修改。如果我们设置 T1 来检测其他线程是否在使用中断，如果没有，则将我们的值设置为 true，否则，继续轮询这些操作并将它们封装到一个原子进程中，即当 T1 执行这些代码时，它是一次性执行的，不允许其他线程干预制造麻烦， 并且不会同时进入临界区或挨饿。

参考

：

《御道操作系统考研复习指南》。