多线程的概念-》历史，定义，线程安全的类

目录

参考

陈硕 Linux多线程服务编程
java并发编程实战

多线程的历史

  1. 早期单核裸机CPU

    程序只能顺序执行，一次只能运行一个程序，造成的就是资源浪费和难编写代码

  2. 单核CPU + 操作系统(进程)

    1. 操作系统的出现让计算机可以运行多个程序，这也就是并发。操作系统引入进程的概念，让每个程序在自己进程中进行执行，并且为了通信，引入粗颗粒的进程通信方式(共享内存、管道、信号、消息队列等)，操作系统使用时间片轮转的方式，给每个进程分配程序运行时间，看起来就好像程序都在同一时刻执行一样

    2. 操作系统的出现大大提高了资源利用率以及程序编写的便捷，比如中断概念(在主进程执行的时候可以被其他进程打断，打断处理后再回来做主进程的事情)，还有那种I/O耗时操作，把当前资源释放，让其他进程使用

  3. 单核CPU + 操作系统 (进程 + 线程)

    1. 进程的出现极大便利了我们，但是注意的是进程间的通信以及进程的分割创建是很费时间，有的时候我们想直接一个进程内实现程序本身的职责 ，但是内部又想分来几个模块协同合作，比如一款windows的应用，一般都是一个进程实现的，但是可以实现点击UI，其他模块仍可以工作的目的。基于以上种种考虑，线程就出现了。

    2. 主打：轻量级，程序执行的最小单元，一个线程类似一个可执行模块一样

    3. 在一个进程内的线程之间共享进程的进程资源，比如内存句柄、文件句柄，堆空间等。但是每个线程有自己独自的栈、局部变量、程序计数器。由于有了线程，那么线程之间的通信也是不可避免

  4. 多核CPU + 操作系统 (进程 + 线程)

    1. 在多核CPU中，并行的概念就出现了

    2. 线程提供直观的模式来充分利用多处理器系统的硬件并行性，在同一个程序的多个线程也可以被调度到多个CPU运行

    3. 真正的并行出现了，可以一边烧水一边吃饭了

  5. 题外：

    对于linux系统，进程和线程都是对资源的一次分配使用

并发和并行

  1. 从硬件角度来说，并发发生在单核CPU，并行发生在多核CPU

  2. 从程序流程角度讲：并发使用时间片形式给每个线程分配空间，就可以实现类似一个I/O阻塞，另一个线程可以干其他事情；

    并行就是两个以上线程可以同时做事情，既可以一个线程读I/O，又可以另一个线程干其他事情。

  3. 并发的时候 各个线程是对资源进行抢占的，并行不是–》资源很多大家一起用

线程的优势

​ 当今，最火的架构莫过于分布式架构了

​ 但是你有没有感觉，多核–》多个服务器，多线程–》多个服务运行

​ 多线程就是分布式架构基础啊

1. 发挥了多处理器的能力
2. 程序编写上：将不同类型的任务分配不同的线程，将程序执行逻辑、调度细节、交替执行的细节分离开，一个线程就是提供一种服务，每个线程**各自运行**，在关键点进行必要的**同步**
3. 异步事件的快速响应

线程的风险

  1. 安全性问题：

    1. 由于线程之间没有同步，当多个线程对共享资源进行读写的时候，顺序、结果是未知的
    2. 可见性：由于编译器的优化，变量的读取可能不会从内存中独缺，编译器把寄存器缓存，在需要的时候直接从寄存器读取，导致变量 在另一个线程修改了，但是当前线程读取的是旧值
    3. 顺序性：在0101的底层，处理器、编译器会疯狂的对代码 可执行文件进行优化，让两个语句之间交换顺序等–》最常见的就是单例模式的 new对象时候的操作，c++11之前需要内存屏障，c++11有了内存模型，对象会直接得到内存返回
    4. 原子性：对共享资源的更改只要不是原子性(一步汇编指令)，都可能穿插执行操作，造成程序异常失败或者状态不正确

  2. 活跃性

    当我们加锁后，注意死锁、活锁

  3. 性能问题

    1. 线程调度器会让当前活跃线程挂起开启新的线程，多个线程之间发生切换、同步，让CPU上下文频繁切换，把时间花在调度上，保存和回复上下文

    2. 正因为这样，才有了无锁和有锁两种同步策略

线程的作用域

  1. 线程的普遍问题就是线程安全
  2. 我们都知道使用框架，但是框架中也可能有线程，框架中的回调函数需要我们保证函数内的线程安全
  3. 比如一个Time类，我们需要任务在稍后运行之类的，到时间后任务是在Time管理的线程运行的，那么！！这个线程就不是我们控制的，我们为了线程安全性，就需要在任务访问的对象是线程安全的

什么是线程安全的类

  1. 多个线程同时调用该类，仍表现正常行为

  2. 对象始终保持正确的状态–>要不没有值，要不每个成员都赋值，不会出现一半赋值的情况

    操作系统 会在某个时间点停止当前线程执行另一个线程，那么不论线程之间的执行顺序是什么样的，类仍是正确的

  3. 调用者不需要额外的同步或者其他协调工作，类内部封装了必要的同步机制，C++的Vector不行，虽然STL考虑的是效率

术语：竟态条件

  1. 就是函数内是先check条件再执行代码的，在多线程存在问题就是多个线程基于失效的条件来进行计算

    常见的单例模式，内部先 if == null, 再执行，这在多线程中可能对象已经不是null，条件失效了，多个线程并发顺次创建多个对象

  2. 还有大名鼎鼎的 i++

    这中间分了三个步骤 读取i、值增加、写入回i，每一个都是条件

常见的解决办法

​ 将需要同步的代码进行加锁/原子变量，让操作变成原子形式执行，并行的程序到这里变成了串行

注意点

​ 需要注意的是为了效率，锁一定要在尽量小的作用域内

​ 如果程序会执行较长时间的计算和运行，比如I/O操作，那一定不要持有锁

​ 代码同步简单带来性能，过大的同步（原子类 + 锁）也会带来复杂和安全性，需要平衡

多线程如何安全创建对象

​ 不要在构造函数中 把this 传给跨线程的对象 ！！！

​ 因为对象是在构造函数后才构建好的，一旦把this传给外部很可能导致跨线程对象 调用 一个不完整的对象导致出错

​ 解决办法就是 ：定义额外的register，在当前对象构造结束后，手动调用注册函数进行this传递

1. 构造函数进行 外界对象 保存
2. register函数里面 对跨线程的外界对象 this传递
3. **使用工厂方式 newinstance，在newinstance中进行   source.register**

多线程如何安全销毁对象

  1. 原始指针 无法根据地址是否为Null或者有效 判断对象是否被析构 –》java中只要地址有值就是有效的
  2. mutex 数据成员本身就是 对象的一部分，当析构发生 不确定mutex是否被析构
  3. 多线程调用的时候存在，线程析构一半的这种不确定性

安全的做法是：shared_ptr

shared_ptr使用指针包容器的方式提供安全的访问指针的方式，跨线程对象 可以安全的使用和销毁

保证线程安全的几个方式

  1. 线程封闭

    1. 栈封闭

      函数内使用栈上的对象，每个栈的空间都是私有的

    2. ThreadLocal

      将变量和线程关联，带来的效果就是 每个线程访问的都是 变量的副本，当修改的时候会不影响

  2. 不可变对象

    让对象内部的内部状态不会更改，多线程访问就存在只读权限，那么就不会有问题了

    需要满足下面的条件：

    1. 对象创建后就不能修改

    2. 对象的所有域都是const类型

    3. 对象是正确创建的，对象创建期间 this没有溢出

    如果想修改一下不可变对象呢：直接重新new整体

    注意不可变对象就是把对象看作一个整体了

  3. 事实不可变对象

    对象内部不是const的，但是对象创建后，不会被修改，这样的对象只需要保证 创建的时候对其他线程的可见性就好了

  4. 加锁

    将可变对象 使用 内部锁方式，函数进行必要的加锁，保证内部状态的同步

posted @ 2021-06-26 23:01  make_wheels  阅读(111)  评论(0)  编辑  收藏  举报