線程調(diào)度的幾個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)
多線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)有很多同學(xué)捋不清楚調(diào)度的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致哪些問題，要知道如果訪問臨界資源不加鎖會(huì)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(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：
- 調(diào)度的最小單位是輕量級(jí)進(jìn)程【比如我們編寫的hello world最簡單的C程序，執(zhí)行時(shí)就是一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程】或者線程；
- 每個(gè)線程都會(huì)分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片到了就會(huì)執(zhí)行下一個(gè)線程；
- 線程的調(diào)度有一定的隨機(jī)性，無法確定什么時(shí)候會(huì)調(diào)度；
- 在同一個(gè)進(jìn)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(jìn)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(shí)例
再多的理論不如一個(gè)形象的例子來的直接。
預(yù)期代碼時(shí)序
假定我們要實(shí)現(xiàn)一個(gè)多線程的實(shí)例，預(yù)期程序執(zhí)行時(shí)序如下：
期待時(shí)序
期待的功能時(shí)序：
- 主進(jìn)程創(chuàng)建子線程，子線程函數(shù)function（）；
- 主線程count自加，并分別賦值給value1,value2；
- 時(shí)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?yàn)橹骶€程將count先后賦值給了value1,value2，所以value1,value2的值應(yīng)該永遠(yuǎn)相同，所以不應(yīng)該打印任何內(nèi)容；
- 重復(fù)2、3步驟。
代碼1
好了，現(xiàn)在我們按照這個(gè)時(shí)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(yùn)行的時(shí)候不應(yīng)該打印任何內(nèi)容，但是實(shí)際運(yùn)行結(jié)果出乎我們意料。
編譯運(yùn)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(huì)隨機(jī)打印一些信息，為什么還有這個(gè)執(zhí)行結(jié)果呢？其實(shí)原因很簡單，就是我們文章開頭所說的，線程調(diào)度具有?隨機(jī)性，我們無法規(guī)定讓內(nèi)核何時(shí)調(diào)度某個(gè)線程。有打印信息，那么這說明此時(shí)value1和value2的值是不同的，那也說明了調(diào)度子線程的時(shí)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(shí)際時(shí)序
實(shí)際上代碼的執(zhí)行時(shí)序如下所示：
如上圖，在某一時(shí)刻，當(dāng)程序走到value2 = count;這個(gè)位置的時(shí)候，內(nèi)核對(duì)線程進(jìn)行了調(diào)度，于是子進(jìn)程在判斷value1和value2的值的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)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(duì)于線程來說，常用的方法有posix信號(hào)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(jìn)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 }
40
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(shí)，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(huì)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(shí)，程序的時(shí)序圖。
value1 = count; value2 = count;時(shí)序圖如下：
如上圖所示：
- 時(shí)刻n，主線程獲得mutex，從而進(jìn)入臨界區(qū)；
- 時(shí)刻n+1，時(shí)間片到了，切換到子線程；
- n+2時(shí)刻子線程申請不到鎖mutex，所以放棄cpu，進(jìn)入休眠；
- n+3時(shí)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(jìn)入臨界區(qū)；
- n+4時(shí)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(huì)進(jìn)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(huì)打印信息，就實(shí)現(xiàn)了我們預(yù)期的代碼時(shí)序。
總結(jié)
實(shí)際項(xiàng)目中，可能程序的并發(fā)的情況可能會(huì)更加復(fù)雜，比如多個(gè)cpu上運(yùn)行的任務(wù)之間，cpu運(yùn)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(huì)對(duì)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(huì)編寫也會(huì)抄！
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