• 多线程与操作系统CPU的关系

  • Tue Jul 17 10:25:03 CST 2012 pengzl 我要收藏(...) 评论 ...
  • 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。
  • 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。

    (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。那么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,进程确实是资源资源分配的主体。

    这时候,可能有朋友有问题了,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

  • 信息来源:http://www.cn-java.com (举报这篇文章)
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