多线程的那点儿事.doc

1、多线程的那点儿事（之大结局）多线程一直是我比较喜欢的话题，当然也是很多朋友比较害怕的话题。喜欢它，因为它确实可以提高 pc 的使用效率；讨厌它，因为如果对它处理不好，反而会导致更大的麻烦。这里断断续续写了这么多，没有什么新意，主要是想结合自己这么多年的个人经历谈一谈自己的想法而已。真心希望这些文章能够达到抛砖引玉的效果，更多的达人可以奉献出自己的经验和方法。谢谢（01） 多线程的哪些儿事（优先级反转）（02）多线程的哪些儿事（多核编程）（03） 多线程的哪些儿事（多线程数据结构）（04） 多线程的哪些儿事（无锁链表）（05）多线程的哪些儿事（顺序锁）（06）多线程的哪些儿事（无锁队列）（07）

2、多线程的哪些儿事（多线程调试）（08）多线程的哪些儿事（避免死锁）（09） 多线程的哪些儿事（生产者- 消费者）（10）多线程的哪些儿事（嵌套锁）（11）多线程的哪些儿事（读写锁）（12）多线程的哪些儿事（原子锁）（13） 多线程的哪些儿事（C+锁）（14） 多线程的哪些儿事（windows 锁）（15）多线程的哪些儿事（自旋锁）（16）多线程的哪些儿事（数据互斥）（17）多线程的哪些儿事（数据同步）（18）多线程的哪些儿事（死锁）（19）多线程的哪些儿事（基础篇）多线程的哪些儿事（基础篇） 。多线程编程是现代软件技术中很重要的一个环节。要弄懂多线程，这就要牵涉到多进程？当然，要了解到多进程，

3、就要涉及到操作系统。不过大家也不要紧张，听我慢慢道来。这其中的环节其实并不复杂。（1）单 CPU 下的多线程在没有出现多核 CPU 之前，我们的计算资源是唯一的。如果系统中有多个任务要处理的话，那么就需要按照某种规则依次调度这些任务进行处理。什么规则呢？可以是一些简单的调度方法，比如说1）按照优先级调度2）按照 FIFO 调度3）按照时间片调度等等当然，除了 CPU 资源之外，系统中还有一些其他的资源需要共享，比如说内存、文件、端口、socket 等。既然前面说到系统中的资源是有限的，那么获取这些资源的最小单元体是什么呢，其实就是进程。举个例子来说，在 linux 上面每一个享有资源的个体称为

4、 task_struct，实际上和我们说的进程是一样的。我们可以看看 task_struct（linux 0.11 代码）都包括哪些内容，cpp view plaincopy1. struct task_struct 2. /* these are hardcoded - dont touch */ 3. long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, 0 stopped */ 4. long counter; 5. long priority; 6. long signal; 7. struct sigaction sigaction32; 8. long

5、 blocked; /* bitmap of masked signals */ 9. /* various fields */ 10. int exit_code; 11. unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack; 12. long pid,father,pgrp,session,leader; 13. unsigned short uid,euid,suid; 14. unsigned short gid,egid,sgid; 15. long alarm; 16. long utime,stime,cutime

6、,cstime,start_time; 17. unsigned short used_math; 18. /* file system info */ 19. int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */ 20. unsigned short umask; 21. struct m_inode * pwd; 22. struct m_inode * root; 23. struct m_inode * executable; 24. unsigned long close_on_exec; 25. struct file * filpNR

7、_OPEN; 26. /* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds 28. /* tss for this task */ 29. struct tss_struct tss; 30. ; 每一个 task 都有自己的 pid，在系统中资源的分配都是按照 pid 进行处理的。这也就说明，进程确实是资源分配的主体。这时候，可能有朋友会问了，既然 task_struct 是资源分配的主体，那为什么又出来thread？为什么系统调度的时候是按照 thread 调度，而不是按照进程调度呢？原因其实很简单，进程之间的数据沟通非常麻烦，因为我们之所以把这些进程分开

8、，不正是希望它们之间不要相互影响嘛。假设是两个进程之间数据传输，那么需要如果需要对共享数据进行访问需要哪些步骤呢，1）创建共享内存2）访问共享内存 -系统调用-读取数据3）写入共享内存 -系统调用-写入数据要是写个代码，大家可能就更明白了，cpp view plaincopy1. #include 2. #include 3. 4. int value = 10; 5. 6. int main(int argc, char* argv) 7. 8. int pid = fork(); 9. if(!pid) 10. Value = 12; 11. return 0; 12. 13. print

9、f(“value = %dn“, value); 14. return 1; 15. 上面的代码是一个创建子进程的代码，我们发现打印的 value 数值还是 10。尽管中间创建了子进程，修改了 value 的数值，但是我们发现打印下来的数值并没有发生改变，这就说明了不同的进程之间内存上是不共享的。那么，如果修改成 thread 有什么好处呢？其实最大的好处就是每个 thread 除了享受单独cpu 调度的机会，还能共享每个进程下的所有资源。要是调度的单位是进程，那么每个进程只能干一件事情，但是进程之间是需要相互交互数据的，而进程之间的数据都需要系统调用才能应用，这在无形之中就降低了数据的处理效

10、率。（2）多核 CPU 下的多线程没有出现多核之前，我们的 CPU 实际上是按照某种规则对线程依次进行调度的。在某一个特定的时刻，CPU 执行的还是某一个特定的线程。然而，现在有了多核 CPU，一切变得不一样了，因为在某一时刻很有可能确实是 n 个任务在 n 个核上运行。我们可以编写一个简单的 open mp 测试一下，如果还是一个核，运行的时间就应该是一样的。cpp view plaincopy1. #include 2. #define MAX_VALUE 10000000 3. 4. double _test(int value) 5. 6. int index; 7. double r

11、esult; 8. 9. result = 0.0; 10. for(index = value + 1; index 2. #include 3. #include 4. 5. unsigned int value = 0; 6. 7. void print(void* argv) 8. 9. while(1) 10. printf(“ 11. value +; 12. Sleep(1000); 13. 14. 15. 16. int main() 17. 18. _beginthread( print, 0, NULL ); 19. _beginthread( print, 0, NULL

12、); 20. 21. while(1) 22. Sleep(0); 23. 24. return 1; 25. 注意，在 VC 上面编译的时候，需要打开/MD 开关。具体操作为，【project】-【setting】-【c/c+】-Category【Code Generation】-【Use run-time library】-【Debug Multithreaded】即可。通过上面的示例，我们看到作为共享变量的 value 事实上是可以被所有的线程访问的。这就是线程数据同步的最大优势 方便，直接。因为线程之间除了堆栈空间不一样之外，代码段和数据段都是在一个空间里面的。所以，线程想访问公共数据

13、，就可以访问公共数据，没有任何的限制。当然，事物都有其两面性。这种对公共资源的访问模式也会导致一些问题。什么问题呢？我们看了就知道了。现在假设有一个池塘，我们雇两个人来喂鱼。两个人不停地对池塘里面的鱼进行喂食。我们规定在一个人喂鱼的时候，另外一个人不需要再喂鱼，否则鱼一次喂两回就要撑死了。为此，我们安装了一个牌子作为警示。如果一个人在喂鱼，他会把牌子设置为 FALSE，那么另外一个人看到这个牌子，就不会继续喂鱼了。等到这个人喂完后，他再把牌子继续设置为 TRUE。如果我们需要把这个故事写成代码，那么怎么写呢？朋友们试试看，cpp view plaincopy1. while(1) 2. if(

14、 flag = true) 3. flag = false; 4. do_give_fish_food(); 5. flag = true; 6. 7. 8. Sleep(0); 9. 上面的代码看上去没有问题了，但是大家看看代码的汇编代码，看看是不是存在隐患。因为还会出现两个人同时喂食的情况，cpp view plaincopy1. 23: while(1) 2. 004010E8 mov eax,1 3. 004010ED test eax,eax 4. 004010EF je do_action+56h (00401126) 5. 24: if( flag = true) 6. 0040

15、10F1 cmp dword ptr flag (00433e04),1 7. 004010F8 jne do_action+43h (00401113) 8. 25: flag = false; 9. 004010FA mov dword ptr flag (00433e04),0 10. 26: do_give_fish_food(); 11. 00401104 call ILT+15(do_give_fish_food) (00401014) 12. 27: flag = true; 13. 00401109 mov dword ptr flag (00433e04),1 14. 28:

16、 15. 29: 16. 30: Sleep(0); 17. 00401113 mov esi,esp 18. 00401115 push 0 19. 00401117 call dword ptr _imp_Sleep4 (004361c4) 20. 0040111D cmp esi,esp 21. 0040111F call _chkesp (004011e0) 22. 31: 23. 00401124 jmp do_action+18h (004010e8) 24. 32: 我们此时假设有两个线程 a 和 b 在不停地进行判断和喂食操作。设置当前 flag = true，此时线程 a 执

17、行到 004010F8 处时，判断鱼还没有喂食，正准备执行指令 004010F8，但是还没有来得及对 falg 进行设置，此时出现了线程调度。线程 b 运行到 004010F8 时，发现当前没有人喂食，所以执行喂食操作。等到 b 线程喂食结束，运行到 00401113 的时候，此时又出现了调度。线程 a 有继续运行，因为之前已经判断了当前还没有喂食，所以线程 a 继续进行了喂食了操作。所以，可怜的鱼，这一次就连续经历了两次喂食操作，估计有一部分鱼要撑死了。当然鱼在这里之所以会出现撑死的情况，主要是因为 line 24 和 line 25 之间出现了系统调度。所以，我们在编写程序的时候必须有一个

18、牢固的思想意识，如果缺少必须要的手段，程序可以任何时刻任何地点被调度，那此时公共数据的计算就会出现错误。那么有没有方法避免这种情况的发生呢？当然有。朋友们可以继续关注下面的博客。多线程的哪些儿事（数据互斥）在多线程存在的环境中，除了堆栈中的临时数据之外，所有的数据都是共享的。如果我们需要线程之间正确地运行，那么务必需要保证公共数据的执行和计算是正确的。简单一点说，就是保证数据在执行的时候必须是互斥的。否则，如果两个或者多个线程在同一时刻对数据进行了操作，那么后果是不可想象的。也许有的朋友会说，不光数据需要保护，代码也需要保护。提出这个观点的朋友只看到了数据访问互斥的表象。在程序的运行空间里面，

19、什么最重要的呢？代码吗？当然不是。代码只是为了数据的访问存在的。数据才是我们一切工作的出发点和落脚点。那么，有什么办法可以保证在某一时刻只有一个线程对数据进行操作呢？四个基本方法：（1）关中断（2）数学互斥方法（3）操作系统提供的互斥方法（4）cpu 原子操作为了让大家可以对这四种方法有详细的认识，我们可以进行详细的介绍。（1）关中断要让数据在某一时刻只被一个线程访问，方法之一就是停止线程调度就可以了。那么怎样停止线程调度呢？那么关掉时钟中断就可以了啊。在 X86 里面的确存在这样的两个指令，cpp view plaincopy1. #include 2. 3. int main() 4. 5

20、. _asm 6. cli 7. sti 8. 9. return 1; 10. 其中 cli 是关中断，sti 是开中断。这段代码没有什么问题，可以编过，当然也可以生成执行文件。但是在执行的时候会出现一个异常告警：Unhandled exception in test.exe: 0xC0000096: Privileged Instruction。告警已经说的很清楚了，这是一个特权指令。只有系统或者内核本身才可以使用这个指令。不过，大家也可以想象一下。因为平常我们编写的程序都是应用级别的程序，要是每个程序都是用这些代码，那不乱了套了。比如说，你不小心安装一个低质量的软件，说不定什么时候把你的中断关了，这样你的网络就断了，你的输入就没有回应了，你的音乐什么都没有了，这样的环境你受的了吗？应用层的软件是千差万别的，软件的水平也是参差不齐的，所以系统不可能相信任何一个私有软件，它相信的只是它自己。（2）数学方法假设有两个线程（a、b）正要对一个共享数据进行访问，那么怎么做到他们之间的互斥的呢？其实我们可以这么做，