多线程的那点儿事（基础篇）

winston

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    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，view plain

• 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，view plain

• #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。view plain

• #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