多線程應(yīng)用程序并行性

通常，在多線程應(yīng)用程序中有兩種相互關(guān)聯(lián)但不同的現(xiàn)象：并發(fā)性和并行性。

并發(fā)是兩個(gè)或多個(gè)線程在執(zhí)行中重疊的能力。

并行性是同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)線程的能力。

正是并發(fā)性導(dǎo)致了流式處理中的大多數(shù)復(fù)雜性 - 線程可以以不可預(yù)測(cè)的順序執(zhí)行。在線程共享資源的情況下，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)條件。

術(shù)語(yǔ)爭(zhēng)用條件通常是指對(duì)兩個(gè)和多個(gè)線程的共享資源的不同步訪問(wèn)導(dǎo)致錯(cuò)誤的程序行為的情況。

讓我們看一個(gè)比賽的例子。

如今，很難想象我們沒(méi)有塑料卡的生活。ATM取款很久以前就成為日常工作：插入卡，輸入PIN碼和所需的金額。如果成功完成，我們將收到計(jì)劃的現(xiàn)金金額。反過(guò)來(lái)，銀行需要通過(guò)以下算法驗(yàn)證資金是否可用：

銀行賬戶上是否至少有 X 個(gè)單位的可用貨幣？

如果是，將帳戶余額減少 X 值，向用戶分配 X 個(gè)貨幣單位。

否則，將生成錯(cuò)誤消息。

具有爭(zhēng)用條件的代碼示例：

int cash_out(struct account *ac, int amount) {

const int balance = ac->balance;

if (balance < amount)

return -1;

ac->balance = balance - amount;

discard_money_routine(amount);

return 0;

}

當(dāng)在線支付購(gòu)買并“同時(shí)”從 ATM 提取現(xiàn)金時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)種族。

為了避免比賽，有必要對(duì)代碼進(jìn)行以下更新：

int cash_out(struct account *ac, int amount) {

lock();

const int balance = ac->balance;

if (balance < amount)

return -1;

ac->balance = balance - amount;

unlock();

discard_money_routine(amount);

return 0;

}

在Windows操作系統(tǒng)中，需要獨(dú)占訪問(wèn)某些共享數(shù)據(jù)的代碼區(qū)域稱為“關(guān)鍵部分”。

用于處理關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)類型為CRITICAL_SECTION。讓我們回顧一下它的字段：

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {

PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;

//

// The following three fields control entering and exiting the critical

// section for the resource

//

LONG LockCount;

LONG RecursionCount;

HANDLE OwningThread; // from the thread's ClientId->UniqueThread

HANDLE LockSemaphore;

ULONG_PTR SpinCount; // force size on 64-bit systems when packed

} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

盡管CRITICAL_SECTION正式不屬于未記錄的結(jié)構(gòu)，但微軟仍然認(rèn)為用戶無(wú)需了解其組織。實(shí)際上，它是一種黑匣子。要使用此結(jié)構(gòu)，無(wú)需直接使用其字段，而只需通過(guò) Windows 函數(shù)，將此結(jié)構(gòu)的相應(yīng)實(shí)例的地址傳遞給它們。

CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)通過(guò)以下調(diào)用初始化：

void 初始化關(guān)鍵部分（PCRITICAL_SECTION 個(gè)）;

如果我們知道不再需要CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)，那么我們可以借助以下調(diào)用將其刪除：

無(wú)效刪除關(guān)鍵部分（PCRITICAL_SECTION個(gè)）;

使用共享資源的代碼區(qū)域應(yīng)先進(jìn)行以下調(diào)用：

無(wú)效的進(jìn)入臨界部分（PCRITICAL_SECTION個(gè)）;

我們可以使用以下命令代替EnterCriticalSection：

bool 嘗試輸入關(guān)鍵部分（PCRITICAL_SECTION 個(gè)）;

TryEnterCriticalSection允許線程檢查資源可訪問(wèn)性，并在無(wú)法訪問(wèn)時(shí)參與另一個(gè)活動(dòng)。在成功的情況下（函數(shù)返回TRUE），很明顯結(jié)構(gòu)元素已更新，資源已鎖定。

在使用共享資源的代碼區(qū)域末尾，應(yīng)始終存在以下調(diào)用：

void LeaveCriticalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

LeaveCriticalSection檢查CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)元素，并將資源鎖定計(jì)數(shù)器 （LockCount） 減少 1。

類似于 Linux 操作系統(tǒng)中的CRITICAL_SECTION是可變互斥pthread_mutex_t。在使用之前，需要初始化此變量 – 寫入常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER的值或調(diào)用pthread_mutex_init函數(shù)。

#include

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,

const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

要使用默認(rèn)屬性值初始化互斥鎖，必須將NULL傳遞給attr屬性。可以在幫助頁(yè)面上找到特定的互斥鎖屬性值。

可以通過(guò)以下調(diào)用刪除互斥鎖：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

通過(guò)調(diào)用pthread_mutex_lock函數(shù)鎖定互斥鎖：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

如果互斥鎖已被鎖定，則調(diào)用線程將被阻塞，直到釋放互斥鎖。互斥鎖在pthread_mutex_unlock功能的幫助下解鎖：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

如果我們想檢查資源的可訪問(wèn)性，那么我們可以使用pthread_mutex_trylock函數(shù)：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

如果互斥鎖被鎖定，上述函數(shù)將返回EBUSY。

所有用于處理互斥鎖的函數(shù)在成功時(shí)返回 0，在失敗時(shí)返回錯(cuò)誤代碼。

讓我們總結(jié)一下。在 Windows 操作系統(tǒng)中，要使用共享資源，必須使用關(guān)鍵部分和特殊類型的CRITICAL_SECTION。在 Linux 操作系統(tǒng)中，我們可以出于相同目的使用pthread_mutex_t類型的互斥體。

同步功能記錄在表 4 中。

表 4.共享資源的同步功能。

螺紋端接

在實(shí)踐中，需要編寫線程終止的情況之一是海量數(shù)據(jù)處理。當(dāng)主線程向所有線程發(fā)出退出信號(hào)，但其中一個(gè)線程仍在處理信息時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。如果與信息丟失相比，及時(shí)性是應(yīng)用程序性能的更高優(yōu)先級(jí)因素，則需要退出線程并釋放系統(tǒng)資源。本節(jié)將介紹退出線程的方法。

線程可以通過(guò)以下方式退出：

線程函數(shù)返回

線程調(diào)用 ExitThread 函數(shù)

進(jìn)程的任何線程都調(diào)用 TerminateThread 函數(shù)

進(jìn)程的任何線程都調(diào)用 ExitProcess 函數(shù)

讓我們仔細(xì)看看其中的每一個(gè)。

線程函數(shù)返回。

干凈代碼的一個(gè)很好的例子是設(shè)計(jì)線程函數(shù)，以便線程僅在函數(shù)返回后終止。在 Windows 操作系統(tǒng)中，這種線程終止方式保證正確清理線程擁有的資源。在 Linux 操作系統(tǒng)中，在線程可連接的情況下，必須調(diào)用其中一個(gè)連接函數(shù)。在一般情況下，會(huì)發(fā)生以下情況：

系統(tǒng)正確釋放線程占用的資源。

系統(tǒng)設(shè)置線程退出代碼。

此內(nèi)核對(duì)象 ?thread? 的用戶計(jì)數(shù)器減少 1。

在 Windows 操作系統(tǒng)中，可以通過(guò)調(diào)用以下內(nèi)容來(lái)強(qiáng)制終止線程：

void ExitThread（DWORD dwExitCode）;

線程退出代碼值將添加到dwExitCode參數(shù)中。很容易注意到該函數(shù)沒(méi)有返回值，因?yàn)樵谡{(diào)用該函數(shù)后，線程將不復(fù)存在。

在Linux操作系統(tǒng)中，有一個(gè)完整的ExitThread模擬：

void pthread_exit(void *rval_ptr);

參數(shù)rval_ptr表示包含返回值的非類型指針。此指針可由調(diào)用pthread_join函數(shù)的其他進(jìn)程線程獲取。

函數(shù)調(diào)用pthread_join將線程帶到分離狀態(tài)。此狀態(tài)允許贏回線程資源。如果線程已處于分離狀態(tài)，則調(diào)用pthread_join的線程將收到ESRCH錯(cuò)誤代碼。有時(shí)，當(dāng)使用第二個(gè)非NULL參數(shù)調(diào)用pthread_join時(shí)，可能會(huì)輸出分段錯(cuò)誤錯(cuò)誤。

進(jìn)程的任何線程都調(diào)用 TerminateThread 函數(shù)。

一個(gè)線程可以傳遞請(qǐng)求以強(qiáng)制終止同一進(jìn)程中的另一個(gè)線程。在Windows操作系統(tǒng)中，這是在以下功能的幫助下組織的：

bool TerminateThread(

HANDLE hThread,

DWORD dwExitCode

);

上述函數(shù)從任何其他線程終止了 hThread線程。您可以向dwExitCode參數(shù)添加一個(gè)值，系統(tǒng)將視之為線程退出代碼。線程被殺死后，此內(nèi)核對(duì)象 ?thread? 的用戶計(jì)數(shù)器將減少 1。

在 Linux 操作系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)線程可以通過(guò)調(diào)用pthread_cancel函數(shù)傳遞強(qiáng)制終止同一進(jìn)程中另一個(gè)線程的請(qǐng)求時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)類似的功能：

int pthread_cancel（pthread_t tid）;

此函數(shù)需要與pthread_setcancelstate和pthread_setcanceltype函數(shù)結(jié)合使用。如果使用pthread_cancel，rval_ptr將被PTHREAD_CANCELED。

讓我們仔細(xì)看看erminateThread和 Linux 操作系統(tǒng)中的類似操作：

#ifdef __PL_WINDOWS__

BOOL bret = FALSE;

bret = TerminateThread(h, x);

#endif //__PL_WINDOWS__

#ifdef __PL_LINUX__

int iret = 0, bret;

iret = syscall(SYS_tkill,tid, 0);

if (iret == 0) {

iret = pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS,NULL);

if (iret != 0) {

bret = FALSE;

}

else {

iret = pthread_cancel(h);

if (iret == 0 || iret == ESRCH) {

bret = TRUE;

} else {

wait_thread:

clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &wait_time);

ADD_MS_TO_TIMESPEC(wait_time, 1000); //1000 ms

iret = pthread_timedjoin_np(h, NULL, &wait_time);

switch (iret) {

case 0:

bret = TRUE;

break;

case ETIMEDOUT:

if (retries_count++ < 5) // 5 Attempts

{

goto wait_thread;

}

bret = FALSE;

break;

default:

bret = FALSE;

break;

}

}

(void)pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED,NULL);

}

}

else {

bret = TRUE;

}

#endif //__PL_LINUX__

審核編輯：郭婷