多線程編程是現(xiàn)代軟件技術(shù)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。要弄懂多線程，這就要牽涉到多進(jìn)程？當(dāng)然，要了解到多進(jìn)程，就要涉及到操作系統(tǒng)。不過大家也不要緊張，聽我慢慢道來。這其中的環(huán)節(jié)其實(shí)并不復(fù)雜。
（1）單CPU下的多線程
在沒有出現(xiàn)多核CPU之前，我們的計(jì)算資源是唯一的。如果系統(tǒng)中有多個(gè)任務(wù)要處理的話，那么就需要按照某種規(guī)則依次調(diào)度這些任務(wù)進(jìn)行處理。什么規(guī)則呢？可以是一些簡單的調(diào)度方法，比如說
1）按照優(yōu)先級(jí)調(diào)度
2）按照FIFO調(diào)度
3）按照時(shí)間片調(diào)度等等
當(dāng)然，除了CPU資源之外，系統(tǒng)中還有一些其他的資源需要共享，比如說內(nèi)存、文件、端口、socket等。既然前面說到系統(tǒng)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(shí)就是進(jìn)程。
舉個(gè)例子來說，在linux上面每一個(gè)享有資源的個(gè)體稱為task_struct，實(shí)際上和我們說的進(jìn)程是一樣的。我們可以看看task_struct（linux 0.11代碼）都包括哪些內(nèi)容
| struct task_struct { /* these are hardcoded - don't touch */ long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ long counter; long priority; long signal; struct sigaction sigaction[32]; long blocked; /* bitmap of masked signals */ /* various fields */ int exit_code; unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack; long pid,father,pgrp,session,leader; unsigned short uid,euid,suid; unsigned short gid,egid,sgid; long alarm; long utime,stime,cutime,cstime,start_time; unsigned short used_math; /* file system info */ int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */ unsigned short umask; struct m_inode * pwd; struct m_inode * root; struct m_inode * executable; unsigned long close_on_exec; struct file * filp[NR_OPEN]; /* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */ struct desc_struct ldt[3]; /* tss for this task */ struct tss_struct tss; }; |
每一個(gè)task都有自己的pid，在系統(tǒng)中資源的分配都是按照pid進(jìn)行處理的。這也就說明，進(jìn)程確實(shí)是資源分配的主體。
這時(shí)候，可能有朋友會(huì)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(tǒng)調(diào)度的時(shí)候是按照thread調(diào)度，而不是按照進(jìn)程調(diào)度呢？原因其實(shí)很簡單，進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)溝通非常麻煩，因?yàn)槲覀冎园堰@些進(jìn)程分開，不正是希望它們之間不要相互影響嘛。
假設(shè)是兩個(gè)進(jìn)程之間數(shù)據(jù)傳輸，那么需要如果需要對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問需要哪些步驟呢
1）創(chuàng)建共享內(nèi)存
2）訪問共享內(nèi)存->系統(tǒng)調(diào)用->讀取數(shù)據(jù)
3）寫入共享內(nèi)存->系統(tǒng)調(diào)用->寫入數(shù)據(jù)
要是寫個(gè)代碼，大家可能就更明白了
| #include <unistd.h> #include <stdio.h> int value = 10; int main(int argc, char* argv[]) { int pid = fork(); if(!pid){ Value = 12; return 0; } printf("value = %d\n", value); return 1; } |
上面的代碼是一個(gè)創(chuàng)建子進(jìn)程的代碼，我們發(fā)現(xiàn)打印的value數(shù)值還是10。盡管中間創(chuàng)建了子進(jìn)程，修改了value的數(shù)值，但是我們發(fā)現(xiàn)打印下來的數(shù)值并沒有發(fā)生改變，這就說明了不同的進(jìn)程之間內(nèi)存上是不共享的。
那么，如果修改成thread有什么好處呢？其實(shí)最大的好處就是每個(gè)thread除了享受單獨(dú)cpu調(diào)度的機(jī)會(huì)，還能共享每個(gè)進(jìn)程下的所有資源。要是調(diào)度的單位是進(jìn)程，那么每個(gè)進(jìn)程只能干一件事情，但是進(jìn)程之間是需要相互交互數(shù)據(jù)的，而進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)都需要系統(tǒng)調(diào)用才能應(yīng)用，這在無形之中就降低了數(shù)據(jù)的處理效率。
（2）多核CPU下的多線程
沒有出現(xiàn)多核之前，我們的CPU實(shí)際上是按照某種規(guī)則對線程依次進(jìn)行調(diào)度的。在某一個(gè)特定的時(shí)刻，CPU執(zhí)行的還是某一個(gè)特定的線程。然而，現(xiàn)在有了多核CPU，一切變得不一樣了，因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻很有可能確實(shí)是n個(gè)任務(wù)在n個(gè)核上運(yùn)行。我們可以編寫一個(gè)簡單的open mp測試一下，如果還是一個(gè)核，運(yùn)行的時(shí)間就應(yīng)該是一樣的。
| #include <omp.h> #define MAX_VALUE 10000000 double _test(int value) { int index; double result; result = 0.0; for(index = value + 1; index < MAX_VALUE; index +=2 ) result += 1.0 / index; return result; } void test() { int index; int time1; int time2; double value1,value2; double result[2]; time1 = 0; time2 = 0; value1 = 0.0; time1 = GetTickCount(); for(index = 1; index < MAX_VALUE; index ++) value1 += 1.0 / index; time1 = GetTickCount() - time1; value2 = 0.0; memset(result , 0, sizeof(double) * 2); time2 = GetTickCount(); #pragma omp parallel for for(index = 0; index < 2; index++) result[index] = _test(index); value2 = result[0] + result[1]; time2 = GetTickCount() - time2; printf("time1 = %d,time2 = %d\n",time1,time2); return; } |
（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(yùn)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下下載資源時(shí)，時(shí)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(wù)，比如說是服務(wù)器
4）其他需要多線程編程的地方等等