5.2  进程与线程

第5.1节介绍了“并发式服务器”的优点，而“并发式服务器”可以通过多个进程（process）或线程（thread）来实现。这一设计空间涉及的主要取舍包括：健壮性、效率和可伸缩性。

多进程。进程是一种OS实体（entity），用以提供“执行程序指令”的环境（context）。每一个进程都管理某些资源，如虚拟内存、I/O句柄、信号处理器等，并借助内存管理单元（MMU，memory management unit）硬件，防止自身遭受其他OS进程破坏。在UNIX中，进程是通过fork()创建的，Win32进程则通过CreateProcess()创建；这些进程并发执行，但位于“和调用者不同”的地址空间。这些机制在第8章作了详尽介绍。

在上一代操作系统（如BSD UNIX ^[MBKQ96]）中，进程只能控制一个线程。这种“单线程”的进程模型可以促进程序的健壮性；因为如果没有程序员明确介入，进程之间不会相互干扰。例如，进程只能通过“共享内存”或“本地IPC”机制相互合作，如图5.2(1)所示。

图5.2  多进程与多线程

但是，通过“单线程”进程难以开发某些类型的应用程序，特别是高性能服务器或实时服务器。需要相互通信或需要响应“管理请求”的服务器必须使用某种形式的IPC，这增加了它们的复杂性。此外，如果使用多进程，将难以对“调度”和“进程优先级”实施高效率、高精

度的控制。

多线程。为了减轻上面提及的进程存在的问题，如今，大多数OS平台都能在一个进程中支持多个线程。一个线程是一组单独的指令序列，执行在进程的保护范围之内，如图5.2(2)所示。除了一个指令指针（instruction pointer）之外，线程还要管理某些资源，例如，保存“函数活动记录”的运行时栈（stack）、一组寄存器、信号屏蔽设备、优先级以及和线程有关的数据等等。如果有多个CPU，多线程服务器中的服务则可以并行（parallel）执行^[EKB+92]。在很多UNIX版本中，线程由pthread_create()创建；在Win32中，线程由CreateThread()创建。

在并发式网络应用程序的实现中，如果多个操作在各自的“线程”中执行，而不是在各自的“进程”中执行，以下“并发”开销就能得以降低。

l  线程创建与环境切换。和进程相比，线程维护的状态信息要少，因而，和对应的进程的生命活动相比，“线程创建”和“环境切换”的开销要少。例如，在一个进程中切换线程时，进程范围内的资源（如虚拟地址映射和缓存）不需要改变。

l  同步。在调度、执行一个应用程序线程时，核心模式和用户模式之间的切换可能不必要。而且，“进程内”同步的开销通常没有“进程间”同步昂贵，因为“被同步对象”位于进程内部，因而不需要OS内核的干预。相反，“进程间”线程同步一般需要牵涉到OS内核。

l  数据复制。线程可以通过“进程局部内存（process-local memory）”共享信息，这具有以下优点。

1.        较之通过“共享内存”或“本地IPC”机制进行进程间通信，通过“进程局部内存”通信往往更有效率；因为数据不需要通过内核来复制。

2.        在“进程局部内存”中，使用C++对象将更为容易，因为类的虚函数表不会存在“内存布局”问题（见副栏3）。例如，有这样一些相互协作的数据库服务，它们都引用了“进程局
 

部内存”中的公共数据结构，那么，在实现这些数据库服务时，使用“多线程”比使用“多进程”更简单、更高效。

有了这些优化，多线程可以显著地提高应用程序的性能。例如，多线程会使“I/O操作频繁”的应用程序受益，因为“计算密集（compute-intensive）”型服务可以同磁盘和网络操作重叠执行。但是，仅仅因为OS平台支持线程，并不就意味着所有应用程序都应该使用多线程。特别是，使用“多线程”实现“并发式”应用程序，也存在以下局限性。

l  性能损失。一个常见的误解是：线程天生就是用来提高程序性能的。其实在很多时候，线程并不能提高性能，原因如下。

1.        在单处理器上，“计算任务繁重”的应用程序不会从多线程受益，因为计算和通信无法并行执行。

2.        高精度的锁定策略会带来高同步开销，这会阻碍应用程序充分挖掘和利用“并行处理”^[SS95]的好处。

l  健壮性降低。为减少“环境切换”和“同步”开销，线程之间接收到的“MMU保护”很少或没有。通过“单进程地址空间”中的线程执行所有任务，会降低应用程序的健壮性。原因如下。

1.        在同一进程地址空间中，各个线程之间缺乏很好的保护。因此，只要进程中有一个服务出错，全局数据就有可能被破坏；而这个数据可能会被“运行在这个进程中的其他线程上”的服务所共享。这就会造成不正确的执行结果，或使整个进程崩溃，或使应用程序无限期挂起。

2.        在一个线程中调用某些OS函数，会对整个进程带来不利的副作用（side effect）。例如，UNIX的exit()和Win32的ExitProcess()函数具有的副作用是：它们会终止一个进程中的所有线程。

l  缺乏高精度的访问控制。在大多数操作系统上，进程是“访问控制（access control）”的基本粒度（granularity）。因此，多线程存在另一个限制：在同一进程中，所有线程都共享相同的用户ID，共享相同的“对文件和其他被保护资源”的访问权。为了防止无意或有意地访问“未经授权的资源”，那些将“安全机制”建立在“进程所有权”上的网络服务，例如

TELNET，通常运行在单独的进程上。

日志服务程序 => 在我们的网络日志服务程序中，日志服务器的“并发”版本可以通过各种方式实现。在第8章和第9章，我们分别通过“多进程”和“多线程”来实现并发日志服务器。