線程調(diào)度的幾個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)

多線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)有很多同學(xué)捋不清楚調(diào)度的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致哪些問(wèn)題，要知道如果訪問(wèn)臨界資源不加鎖會(huì)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(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：

1. 調(diào)度的最小單位是輕量級(jí)進(jìn)程【比如我們編寫的hello world最簡(jiǎn)單的C程序，執(zhí)行時(shí)就是一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程】或者線程；
2. 每個(gè)線程都會(huì)分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片到了就會(huì)執(zhí)行下一個(gè)線程；
3. 線程的調(diào)度有一定的隨機(jī)性，無(wú)法確定什么時(shí)候會(huì)調(diào)度；
4. 在同一個(gè)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(wèn)全局變量，打開(kāi)的文件描述符等。

實(shí)例

再多的理論不如一個(gè)形象的例子來(lái)的直接。

預(yù)期代碼時(shí)序

假定我們要實(shí)現(xiàn)一個(gè)多線程的實(shí)例，預(yù)期程序執(zhí)行時(shí)序如下：

期待的功能時(shí)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(shí)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?yàn)橹骶€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(gè)時(shí)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(yùn)行的時(shí)候不應(yīng)該打印任何內(nèi)容，但是實(shí)際運(yùn)行結(jié)果出乎我們意料。

編譯運(yùn)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(huì)隨機(jī)打印一些信息，為什么還有這個(gè)執(zhí)行結(jié)果呢？其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，就是我們文章開(kāi)頭所說(shuō)的，線程調(diào)度具有?隨機(jī)性，我們無(wú)法規(guī)定讓內(nèi)核何時(shí)調(diào)度某個(gè)線程。有打印信息，那么這說(shuō)明此時(shí)value1和value2的值是不同的，那也說(shuō)明了調(diào)度子線程的時(shí)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(shí)際時(shí)序

實(shí)際上代碼的執(zhí)行時(shí)序如下所示：

如上圖，在某一時(shí)刻，當(dāng)程序走到value2 = count;這個(gè)位置的時(shí)候，內(nèi)核對(duì)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(shí)候，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)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(lái)解決并發(fā)導(dǎo)致的程序沒(méi)有按預(yù)期執(zhí)行的問(wèn)題呢？對(duì)于線程來(lái)說(shuō)，常用的方法有posix信號(hào)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(wèn)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(qǐng)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(qǐng)鎖，如果能獲得鎖就繼續(xù)往下執(zhí)行， 如果申請(qǐng)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(wèn)臨界資源value1,value2時(shí)，都必須先申請(qǐng)鎖，獲得鎖之后才可以訪問(wèn)臨界資源，訪問(wèn)完畢再釋放互斥鎖。該代碼執(zhí)行之后就不會(huì)打印任何信息。我們來(lái)看下，如果程序在下述代碼之間產(chǎn)生調(diào)度時(shí)，程序的時(shí)序圖。

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

時(shí)序圖如下：如上圖所示：

1. 時(shí)刻n，主線程獲得mutex，從而進(jìn)入臨界區(qū)；
2. 時(shí)刻n+1，時(shí)間片到了，切換到子線程；
3. n+2時(shí)刻子線程申請(qǐng)不到鎖mutex，所以放棄cpu，進(jìn)入休眠；
4. n+3時(shí)刻，主線程釋放mutex，離開(kāi)臨界區(qū)，并喚醒阻塞在mutex的子線程，子線程申請(qǐng)到mutex，進(jìn)入臨界區(qū)；
5. n+4時(shí)刻，子線程離開(kāi)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(huì)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(wèn)value1和value2,就永遠(yuǎn)不會(huì)打印信息，就實(shí)現(xiàn)了我們預(yù)期的代碼時(shí)序。

總結(jié)

實(shí)際項(xiàng)目中，可能程序的并發(fā)的情況可能會(huì)更加復(fù)雜，比如多個(gè)cpu上運(yùn)行的任務(wù)之間，cpu運(yùn)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(wèn)題，很難復(fù)現(xiàn)，縱觀Linux內(nèi)核代碼，所有的臨界資源都會(huì)對(duì)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(jiàn)！熟讀代碼千萬(wàn)行，不會(huì)編寫也會(huì)抄！

關(guān)于內(nèi)核和應(yīng)用程序的同步互斥的知識(shí)點(diǎn)，可以查看一口君的其他文章。

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