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多核CPU下的多线程编程原来是这么回事...

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技术小白 发表于 2017-4-25 11:36:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
多核CPU下的多线程编程原来是这么回事...
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>  
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  
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)多线程编程
为什么要多线程编程呢?这其中的原因很多,我们可以举例解决
   
1)有的是为了提高运行的速度,比如多核cpu下的多线程
   
2)有的是为了提高资源的利用率,比如在网络环境下**资源时,时延常常很高,我们可以通过不同的thread从不同的地方获取资源,这样可以提高效率
   
3)有的为了**更好的服务,比如说是服务器
   
4)其他需要多线程编程的地方等等
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