多线程的那点儿事（基础篇）

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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（linux0.11代码）都包括哪些内容，

	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，

	#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openmp测试一下，如果还是一个核，运行的时间就应该是一样的。

#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，比如在网络环境下下载资源时，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）有的为了提供更好的服务，比如说是服务器

4）其他需要多线程编程的地方等等