宋老师的日志

多核CPU下的多线程编程原来是这么回事...

已有 174 次阅读 2017-04-09 11:51 标签: 软件技术多线程优先级操作系统资源

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，

1. struct task_struct {

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

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

4. long counter;

5. long priority;

6. long signal;

7. struct sigaction sigaction[32];

8. long 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,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 * filp[NR_OPEN];

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

27. struct desc_struct ldt[3];

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，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，

1. #include <unistd.h>

2. #include <stdio.h>

4. int value = 10;

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

7. {

8. int pid = fork();

9. if(!pid){

10. Value = 12;

11. return 0;

12. }

13. printf("value = %d\n", 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。

1. #include <omp.h>

2. #define MAX_VALUE 10000000

4. double _test(int value)

5. {

6. int index;

7. double result;

9. result = 0.0;

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

11. result += 1.0 / index;

12.

13. return result;

14. }