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多线程的那点儿事(基础篇)

2011-11-26

【 声明:版权所有,欢迎转载,请勿用于商业用途。 联系信箱:feixiaoxing @163.com】 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,就要涉及到操...

【 声明:版权所有,欢迎转载,请勿用于商业用途。 联系信箱:feixiaoxing @163.com】

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,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,

struct task_struct {

/* these are hardcoded - don't touch */

long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */

long counter;

long priority;

long signal;

struct sigaction sigaction[32];

long blocked; /* bitmap of masked signals */

/* various fields */

int exit_code;

unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack;

long pid,father,pgrp,session,leader;

unsigned short uid,euid,suid;

unsigned short gid,egid,sgid;

long alarm;

long utime,stime,cutime,cstime,start_time;

unsigned short used_math;

/* file system info */

int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */

unsigned short umask;

struct m_inode * pwd;

struct m_inode * root;

struct m_inode * executable;

unsigned long close_on_exec;

struct file * filp[NR_OPEN];

/* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */

struct desc_struct ldt[3];

/* tss for this task */

struct tss_struct tss;

};

struct task_struct {

/* these are hardcoded - don't touch */

long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */

long counter;

long priority;

long signal;

struct sigaction sigaction[32];

long blocked; /* bitmap of masked signals */

/* various fields */

int exit_code;

unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack;

long pid,father,pgrp,session,leader;

unsigned short uid,euid,suid;

unsigned short gid,egid,sgid;

long alarm;

long utime,stime,cutime,cstime,start_time;

unsigned short used_math;

/* file system info */

int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */

unsigned short umask;

struct m_inode * pwd;

struct m_inode * root;

struct m_inode * executable;

unsigned long close_on_exec;

struct file * filp[NR_OPEN];

/* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */

struct desc_struct ldt[3];

/* tss for this task */

struct tss_struct tss;

};

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,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,

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int value = 10;

int main(int argc, char* argv[])

{

int pid = fork();

if(!pid){

Value = 12;

return 0;

}

printf("value = %d\n", value);

return 1;

}

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int value = 10;

int main(int argc, char* argv[])

{

int pid = fork();

if(!pid){

Value = 12;

return 0;

}

printf("value = %d\n", value);

return 1;

}

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。

#include <omp.h>

#define MAX_VALUE 10000000

double _test(int value)

{

int index;

double result;

result = 0.0;

for(index = value + 1; index < MAX_VALUE; index +=2 )

result += 1.0 / index;

return result;

}

void test()

{

int index;

int time1;

int time2;

double value1,value2;

double result[2];

time1 = 0;

time2 = 0;

value1 = 0.0;

time1 = GetTickCount();

for(index = 1; index < MAX_VALUE; index ++)

value1 += 1.0 / index;

time1 = GetTickCount() - time1;

value2 = 0.0;

memset(result , 0, sizeof(double) * 2);

time2 = GetTickCount();

#pragma omp parallel for

for(index = 0; index < 2; index++)

result[index] = _test(index);

value2 = result[0] + result[1];

time2 = GetTickCount() - time2;

printf("time1 = %d,time2 = %d\n",time1,time2);

return;

}

#include <omp.h>

#define MAX_VALUE 10000000

double _test(int value)

{

int index;

double result;

result = 0.0;

for(index = value + 1; index < MAX_VALUE; index +=2 )

result += 1.0 / index;

return result;

}

void test()

{

int index;

int time1;

int time2;

double value1,value2;

double result[2];

time1 = 0;

time2 = 0;

value1 = 0.0;

time1 = GetTickCount();

for(index = 1; index < MAX_VALUE; index ++)

value1 += 1.0 / index;

time1 = GetTickCount() - time1;

value2 = 0.0;

memset(result , 0, sizeof(double) * 2);

time2 = GetTickCount();

#pragma omp parallel for

for(index = 0; index < 2; index++)

result[index] = _test(index);

value2 = result[0] + result[1];

time2 = GetTickCount() - time2;

printf("time1 = %d,time2 = %d\n",time1,time2);

return;

}

(3)多线程编程

为什么要多线程编程呢?这其中的原因很多,我们可以举例解决

1)有的是为了提高运行的速度,比如多核cpu下的多线程

2)有的是为了提高资源的利用率,比如在网络环境下下载资源时,时延常常很高,我们可以通过不同的thread从不同的地方获取资源,这样可以提高效率

3)有的为了提供更好的服务,比如说是服务器

4)其他需要多线程编程的地方等等

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