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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：

調(diào)度的最小單位是輕量級進程【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程】或者線程;

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;

線程的調(diào)度有一定的隨機性，無法確定什么時候會調(diào)度;

在同一個進程內(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：

期待時序

期待的功能時序：

1. 主進程創(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)不相同，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 <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)度具有䘺隨機性，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)核對線程進行了調(diào)度，于是子進程在判斷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 <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，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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