線程調(diào)度的幾個基本知識點

多線程并發(fā)執(zhí)行時有很多同學(xué)捋不清楚調(diào)度的隨機(jī)性會導(dǎo)致哪些問題，要知道如果訪問臨界資源不加鎖會導(dǎo)致一些突發(fā)情況發(fā)生甚至死鎖。

關(guān)于線程調(diào)度，需要深刻了解以下幾個基礎(chǔ)知識點：

1. 調(diào)度的最小單位是輕量級進(jìn)程【比如我們編寫的hello world最簡單的C程序，執(zhí)行時就是一個輕量級進(jìn)程】或者線程；
2. 每個線程都會分配一個時間片，時間片到了就會執(zhí)行下一個線程；
3. 線程的調(diào)度有一定的隨機(jī)性，無法確定什么時候會調(diào)度；
4. 在同一個進(jìn)程內(nèi)，創(chuàng)建的所有線程除了線程內(nèi)部創(chuàng)建的局部資源，進(jìn)程創(chuàng)建的其他資源所有線程共享；比如：主線程和子線程都可以訪問全局變量，打開的文件描述符等。

實例

再多的理論不如一個形象的例子來的直接。

預(yù)期代碼時序

假定我們要實現(xiàn)一個多線程的實例，預(yù)期程序執(zhí)行時序如下：

期待的功能時序：

1. 主進(jìn)程創(chuàng)建子線程，子線程函數(shù)function（）；
2. 主線程count自加，并分別賦值給value1,value2；
3. 時間片到了后切換到子線程，子線程判斷value1、value2值是否相同，如果不同就打印信息value1,value2,count的值，但是因為主線程將count先后賦值給了value1,value2，所以value1,value2的值應(yīng)該永遠(yuǎn)相同，所以不應(yīng)該打印任何內(nèi)容；
4. 重復(fù)2、3步驟。

代碼1

好了，現(xiàn)在我們按照這個時序編寫代碼如下：

??1?#include?
??2?#include?
??3?#include?
??4?#include?
??5?#include?
??6?
??7?unsigned?int?value1,value2,?count=0;
??8?void?*function(void?*arg);
??9?int?main(int?argc,??char?*argv[])
?10?{
?11?????pthread_t??a_thread;
?12?
?13?????if?(pthread_create(&a_thread,?NULL,?function,?NULL)?0)
?14?????{
?15?????????perror("fail?to?pthread_create");
?16?????????exit(-1);
?17?????}
?18?????while?(?1?)
?19?????{
?20?????????count++;
?21?????????value1?=?count;
?22?????????value2?=?count;
?23?????}
?24?????return?0;
?25?}
?26?
?27?void??*function(void?*arg)
?28?{
?29?????while?(?1?)
?30?????{
?31?????????if?(value1?!=?value2)
?32?????????{?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
?33?????????????printf("count=%d?,?value1=%d,?value2=%d\n",??count,?value1,?value2);
?34?????????????usleep(100000);
?35?????????}?????
?36?????}
?37?????return??NULL;
?38?}??

乍一看，該程序應(yīng)該可以滿足我們的需要，并且程序運行的時候不應(yīng)該打印任何內(nèi)容，但是實際運行結(jié)果出乎我們意料。

編譯運行：

gcc?test.c?-o?run?-lpthread
./run

代碼1執(zhí)行結(jié)果

執(zhí)行結(jié)果：可以看到子程序會隨機(jī)打印一些信息，為什么還有這個執(zhí)行結(jié)果呢？其實原因很簡單，就是我們文章開頭所說的，線程調(diào)度具有?隨機(jī)性，我們無法規(guī)定讓內(nèi)核何時調(diào)度某個線程。有打印信息，那么這說明此時value1和value2的值是不同的，那也說明了調(diào)度子線程的時候，是在主線程向value1和value2之間的位置調(diào)度的。

代碼1執(zhí)行的實際時序

實際上代碼的執(zhí)行時序如下所示：

如上圖，在某一時刻，當(dāng)程序走到value2 = count;這個位置的時候，內(nèi)核對線程進(jìn)行了調(diào)度，于是子進(jìn)程在判斷value1和value2的值的時候，發(fā)現(xiàn)這兩個變量值不相同，就有了打印信息。

該程序在下面這兩行代碼之間調(diào)度的幾率還是很大的。

value1?=?count;?
value2?=?count;

解決方法

如何來解決并發(fā)導(dǎo)致的程序沒有按預(yù)期執(zhí)行的問題呢？對于線程來說，常用的方法有posix信號量、互斥鎖，條件變量等，下面我們以互斥鎖為例，講解如何避免代碼1的問題的出現(xiàn)。

互斥鎖的定義和初始化：

pthread_mutex_t??mutex;
pthread_mutex_init(&mutex,?NULL)

申請釋放鎖：

pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

原理：進(jìn)入臨界區(qū)之前先申請鎖，如果能獲得鎖就繼續(xù)往下執(zhí)行， 如果申請不到，就休眠，直到其他線程釋放該鎖為止。

代碼2

??1?#include?
??2?#include?
??3?#include?
??4?#include?
??5?#include?
??6?#define?_LOCK_
??7?unsigned?int?value1,value2,?count=0;
??8?pthread_mutex_t??mutex;
??9?void?*function(void?*arg);
?10?
?11?int?main(int?argc,??char?*argv[])
?12?{
?13?????pthread_t??a_thread;
?14??????????
?15?????if?(pthread_mutex_init(&mutex,?NULL)?0)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
?16?????{
?17?????????perror("fail?to?mutex_init");
?18?????????exit(-1);
?19?????}
?20?
?21?????if?(pthread_create(&a_thread,?NULL,?function,?NULL)?0)
?22?????{
?23?????????perror("fail?to?pthread_create");
?24?????????exit(-1);
?25?????}
?26?????while?(?1?)
?27?????{
?28?????????count++;
?29?#ifdef??_LOCK_
?30?????????pthread_mutex_lock(&mutex);
?31?#endif
?32?????????value1?=?count;
?33?????????value2?=?count;
?34?#ifdef??_LOCK_
?35?????????pthread_mutex_unlock(&mutex);
?36?#endif
?37?????}
?38?????return?0;
?39??}
40?
?41?void??*function(void?*arg)
?42?{
?43??????while?(?1?)
?44??????{
?45?#ifdef?_LOCK_
?46?????????pthread_mutex_lock(&mutex);
?47?#endif???????????
?48?
?49?????????if?(value1?!=?value2)??
?50?????????{
?51?????????????printf("count=%d?,?value1=%d,?value2=%d\n",??count,?value1,?value2);
?52?????????????usleep(100000);
?53?????????}?????
?54?#ifdef?_LOCK_
?55?????????pthread_mutex_unlock(&mutex);
?56?#endif
?57??????}
?58??????return??NULL;
?59??}?????

如上述代碼所示:主線程和子線程要訪問臨界資源value1,value2時，都必須先申請鎖，獲得鎖之后才可以訪問臨界資源，訪問完畢再釋放互斥鎖。該代碼執(zhí)行之后就不會打印任何信息。我們來看下，如果程序在下述代碼之間產(chǎn)生調(diào)度時，程序的時序圖。

value1?=?count;?
value2?=?count;

時序圖如下：如上圖所示：

1. 時刻n，主線程獲得mutex，從而進(jìn)入臨界區(qū)；
2. 時刻n+1，時間片到了，切換到子線程；
3. n+2時刻子線程申請不到鎖mutex，所以放棄cpu，進(jìn)入休眠；
4. n+3時刻，主線程釋放mutex，離開臨界區(qū)，并喚醒阻塞在mutex的子線程，子線程申請到mutex，進(jìn)入臨界區(qū)；
5. n+4時刻，子線程離開臨界區(qū)，釋放mutex。

可以看到，加鎖之后，即使主線程在value2 =count; 之前產(chǎn)生了調(diào)度，子線程由于獲取不到mutex，會進(jìn)入休眠，只有主線程出了臨界區(qū)，子線程才能獲得mutex，訪問value1和value2,就永遠(yuǎn)不會打印信息，就實現(xiàn)了我們預(yù)期的代碼時序。

總結(jié)

實際項目中，可能程序的并發(fā)的情況可能會更加復(fù)雜，比如多個cpu上運行的任務(wù)之間，cpu運行的任務(wù)和中斷之間，中斷和中斷之間，都有可能并發(fā)。

有些調(diào)度的概率雖然很小，但是不代表不發(fā)生，而且由于資源同步互斥導(dǎo)致的問題，很難復(fù)現(xiàn)，縱觀Linux內(nèi)核代碼，所有的臨界資源都會對應(yīng)鎖。

多閱讀Linux內(nèi)核源碼，學(xué)向大神學(xué)習(xí)，與大神神交。

正所謂代碼讀百遍，其義自見！熟讀代碼千萬行，不會編寫也會抄！

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