多核CPU下的多線程編程原來是這么回事...
發布時間：2017-4-25 11:40
發布者：技術小白
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多線程編程是現代軟件技術中很重要的一個環節。要弄懂多線程，這就要牽涉到多進程？當然，要了解到多進程，就要涉及到操作系統。不過大家也不要緊張，聽我慢慢道來。這其中的環節其實并不復雜。 （1）單CPU下的多線程 在沒有出現多核CPU之前，我們的計算資源是唯一的。如果系統中有多個任務要處理的話，那么就需要按照某種規則依次調度這些任務進行處理。什么規則呢？可以是一些簡單的調度方法，比如說 “ 1）按照優先級調度 2）按照FIFO調度 3）按照時間片調度等等 當然，除了CPU資源之外，系統中還有一些其他的資源需要共享，比如說內存、文件、端口、socket等。既然前面說到系統中的資源是有限的，那么獲取這些資源的最小單元體是什么呢，其實就是進程。 舉個例子來說，在Linux上面每一個享有資源的個體稱為task_struct，實際上和我們說的進程是一樣的。我們可以看看task_struct（linux 0.11代碼）都包括哪些內容， 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. }; 每一個task都有自己的pid，在系統中資源的分配都是按照pid進行處理的。這也就說明，進程確實是資源分配的主體。 這時候，可能有朋友會問了，既然task_struct是資源分配的主體，那為什么又出來thread？為什么系統調度的時候是按照thread調度，而不是按照進程調度呢？原因其實很簡單，進程之間的數據溝通非常麻煩，因為我們之所以把這些進程分開，不正是希望它們之間不要相互影響嘛。 假設是兩個進程之間數據傳輸，那么需要如果需要對共享數據進行訪問需要哪些步驟呢 “ 1）創建共享內存 2）訪問共享內存->系統調用->讀取數據 3）寫入共享內存->系統調用->寫入數據 要是寫個代碼，大家可能就更明白了， 1. #include 2. #include 3. 4. int value = 10; 5. 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. } 上面的代碼是一個創建子進程的代碼，我們發現打印的value數值還是10。盡管中間創建了子進程，修改了value的數值，但是我們發現打印下來的數值并沒有發生改變，這就說明了不同的進程之間內存上是不共享的。 那么，如果修改成thread有什么好處呢？其實最大的好處就是每個thread除了享受單獨cpu調度的機會，還能共享每個進程下的所有資源。要是調度的單位是進程，那么每個進程只能干一件事情，但是進程之間是需要相互交互數據的，而進程之間的數據都需要系統調用才能應用，這在無形之中就降低了數據的處理效率。 （2）多核CPU下的多線程 沒有出現多核之前，我們的CPU實際上是按照某種規則對線程依次進行調度的。在某一個特定的時刻，CPU執行的還是某一個特定的線程。然而，現在有了多核CPU，一切變得不一樣了，因為在某一時刻很有可能確實是n個任務在n個核上運行。我們可以編寫一個簡單的open mp測試一下，如果還是一個核，運行的時間就應該是一樣的。 1. #include 2. #define MAX_VALUE 10000000 3. 4. double _test(int value) 5. { 6. int index; 7. double result; 8. 9. result = 0.0; 10. for(index = value + 1; index < MAX_VALUE; index +=2 ) 11. result += 1.0 / index; 12. 13. return result; 14. } 15. 16. void test() 17. { 18. int index; 19. int time1; 20. int time2; 21. double value1,value2; 22. double result[2]; 23. 24. time1 = 0; 25. time2 = 0; 26. 27. value1 = 0.0; 28. time1 = GetTickCount(); 29. for(index = 1; index < MAX_VALUE; index ++) 30. value1 += 1.0 / index; 31. 32. time1 = GetTickCount() - time1; 33. 34. value2 = 0.0; 35. memset(result , 0, sizeof(double) * 2); 36. time2 = GetTickCount(); 37. 38. #pragma omp parallel for 39. for(index = 0; index < 2; index++) 40. result[index] = _test(index); 41. 42. value2 = result[0] + result[1]; 43. time2 = GetTickCount() - time2; 44. 45. printf("time1 = %d,time2 = %d\n",time1,time2); 46. return; 47. } （3）多線程編程 為什么要多線程編程呢？這其中的原因很多，我們可以舉例解決 1）有的是為了提高運行的速度，比如多核cpu下的多線程 2）有的是為了提高資源的利用率，比如在網絡環境下下載資源時，時延常常很高，我們可以通過不同的thread從不同的地方獲取資源，這樣可以提高效率 3）有的為了提供更好的服務，比如說是服務器 4）其他需要多線程編程的地方等等 
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