一個(gè)多線程的簡(jiǎn)單例子讓你看清線程調(diào)度的隨機(jī)性
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)致哪些問題，要知道如果訪問臨界資源不加鎖會(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)：
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;
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;
線程的調(diào)度有一定的隨機(jī)性，無法確定什么時(shí)候會(huì)調(diào)度;
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全局變量，打開的文件描述符等。
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：
期待時(shí)序
期待的功能時(shí)序：
- 主進(jìn)程創(chuàng)建子線程，子線程函數(shù)function();
- 主線程count自加，并分別賦值給value1,value2;
- 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)不相同，所以不應(yīng)該打印任何內(nèi)容;
- 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 <stdio.h>
- 2 #include <stdlib.h>
- 3 #include <string.h>
- 4 #include <pthread.h>
- 5 #include <unistd.h>
- 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，就是我們文章開頭所說的，線程調(diào)度具有䘺隨機(jī)性，我們無法規(guī)定讓內(nèi)核何時(shí)調(diào)度某個(gè)線程。有打印信息，那么這說明此時(shí)value1和value2的值是不同的，那也說明了調(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(duì)于線程來說，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 <stdio.h>
- 2 #include <stdlib.h>
- 3 #include <string.h>
- 4 #include <pthread.h>
- 5 #include <unistd.h>
- 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 }
- 0
- 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(shí)，都必須先申請(qǐng)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(huì)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(shí)，程序的時(shí)序圖。
- value1 = count;
- value2 = count;
時(shí)序圖如下：
如上圖所示：
- 時(shí)刻n，主線程獲得mutex，從而進(jìn)入臨界區(qū);
- 時(shí)刻n+1，時(shí)間片到了，切換到子線程;
- 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;
- n+3時(shí)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(qǐng)到mutex，進(jìn)入臨界區(qū);
- n+4時(shí)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(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!熟讀代碼千萬行，不會(huì)編寫也會(huì)抄!
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