多線程并發(fā)的特征有哪些

本篇內(nèi)容主要講解“多線程并發(fā)的特征有哪些”，感興趣的朋友不妨來(lái)看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來(lái)帶大家學(xué)習(xí)“多線程并發(fā)的特征有哪些”吧!

多線程和并發(fā)

在使用C++開(kāi)發(fā)的服務(wù)端程序中多線程還是主流，一般來(lái)說(shuō)會(huì)有個(gè)線程池來(lái)處理接收的請(qǐng)求，這樣可以有效提供服務(wù)器的并發(fā)能力和CPU的利用率。

但是，多線程也是一把雙刃劍。

單線程模式下，一切都是那么單調(diào)而穩(wěn)定，所有的資源都是自己的，我的資源我做主。

多線程模式下，一個(gè)進(jìn)程下裝載了多個(gè)線程，每個(gè)線程除了部分資源是獨(dú)享外，多個(gè)線程對(duì)大部分系統(tǒng)資源是共享的。

多個(gè)線程共享的進(jìn)程資源：

• 內(nèi)存

• 文件描述符

• 地址空間

• 全局?jǐn)?shù)據(jù)

• ...

每個(gè)線程獨(dú)享的資源：

• 線程寄存器

• 線程棧

• 線程ID、錯(cuò)誤返回碼、信號(hào)屏蔽碼

• ...

敲黑板劃重點(diǎn)：

1.進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，線程是CPU調(diào)度和分派的基本單位;

2.進(jìn)程是線程的載體，進(jìn)程有獨(dú)立地址空間，所有線程共享所在進(jìn)程的地址空間;

3.進(jìn)程是系統(tǒng)資源的大股東，而線程基本上不擁有系統(tǒng)資源，只占用少量在運(yùn)行中必不可少的資源，比如程序計(jì)數(shù)器、一組寄存器和調(diào)用棧;

同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程有點(diǎn)像合租，大家共用大部分資源，自己獨(dú)占一小部分資源，相互影響，然而但單進(jìn)程單線程就是整租，自己獨(dú)占所有資源，誰(shuí)也不影響。

掌握多線程中資源共享和相互影響的特點(diǎn)之后，再來(lái)看看線程安全和可重入就容易很多。

什么是線程安全

計(jì)算機(jī)中所謂的安全大多是指結(jié)果的正確且可預(yù)測(cè)性。

前面我們知道，多線程運(yùn)行起來(lái)雖然可以提高并發(fā)能力，但是多個(gè)線程會(huì)共享很多資源，比如寫(xiě)全局?jǐn)?shù)據(jù)，這種情況下就需要額外干預(yù)，否則將引發(fā)錯(cuò)亂的結(jié)果。

線程安全是在擁有共享數(shù)據(jù)的多條線程并行執(zhí)行的進(jìn)程中，可以正常且正確的執(zhí)行，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)污染等意外情況，反之則稱為線程不安全。

通俗一點(diǎn)講，線程安全就怎么跑都不亂，線程不安全就是一跑就可能五花八門(mén)。

所以可能產(chǎn)生線程不安全根本原因在于：共享數(shù)據(jù)且共享數(shù)據(jù)可變。

這些共享數(shù)據(jù)包括全局變量、局部靜態(tài)變量等，每個(gè)線程都可能對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，并且操作結(jié)果會(huì)影響其他線程。

我們還經(jīng)常提到另外一個(gè)術(shù)語(yǔ)：線程安全函數(shù)/線程安全類(lèi)。

線程安全函數(shù)的一些特征：

• 無(wú)任何共享的數(shù)據(jù)，都是局部數(shù)據(jù);

• 存在寫(xiě)共享數(shù)據(jù)，但是進(jìn)行了加鎖處理，可以實(shí)現(xiàn)多線程的同步調(diào)用;

• 存在讀但無(wú)寫(xiě)共享數(shù)據(jù)，無(wú)需加鎖;

從圖中可以看到：

• 同一進(jìn)程內(nèi)有四個(gè)工作線程;

• 公共函數(shù)A 只執(zhí)行打印操作，無(wú)論何時(shí)何線程調(diào)用，結(jié)果都是確定且正確的，因此是線程安全函數(shù);

• 公共函數(shù)B 使用了全局變量Count，并對(duì)其進(jìn)行遞增1操作，但是沒(méi)有進(jìn)行加鎖同步處理，因此結(jié)果是不確定的，為線程不安全函數(shù);

• 公共函數(shù)C 使用了全局變量Factor，并對(duì)其進(jìn)行遞增2操作，使用了互斥鎖進(jìn)行同步確保結(jié)果的正確，是線程安全函數(shù);

在編寫(xiě)多線程程序時(shí)，如果涉及多個(gè)線程操作一個(gè)公共函數(shù)，如果該函數(shù)本身不是線程安全的。

例如當(dāng)一個(gè)函數(shù)F是線程安全函數(shù)，但是F調(diào)用線程不安全函數(shù)G時(shí)，同樣需要對(duì)G進(jìn)行加鎖處理，否則函數(shù)F也將不安全。

在《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》一書(shū)中深入指出了線程不安全函數(shù)的分類(lèi)：

• 不保護(hù)共享產(chǎn)量的函數(shù)

• 保持跨越多個(gè)調(diào)用狀態(tài)的函數(shù)

• 返回指向靜態(tài)變量的指針的函數(shù)

• 調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)

前面介紹的幾個(gè)例子大部分都是全局變量的不加鎖控制相關(guān)的，還有兩種就是：

• 函數(shù)本次調(diào)用依賴于上次調(diào)用結(jié)果，也就是所謂的跨狀態(tài)，典型的Linux中的rand()函數(shù);

• 函數(shù)將結(jié)果放在一個(gè)全局的指針中，典型的gethostbyname、localtime、strtok等;

// 函數(shù)原型 struct tm * localtime(const time_t *clock);  /* localtime example */ #include <stdio.h>  #include <time.h>   int main () {   time_t rawtime;   struct tm * timeinfo;    time (&rawtime);   timeinfo = localtime (&rawtime);    return 0; }

在localtime中將結(jié)果存放在timeinfo中，這個(gè)全局變量可以被任意的線程操作，因此將引發(fā)線程不安全。

對(duì)于Linux中線程不安全的函數(shù)可以查閱：

https://man7.org/linux/man-pages/man7/pthreads.7.html

可重入函數(shù)

在理解了線程安全的相關(guān)定義和形成原因之后，我們來(lái)看下什么是可重入。

先來(lái)看看可重入的相關(guān)定義：

一個(gè)程序可以在任意時(shí)刻被中斷，然后系統(tǒng)去執(zhí)行另外一段代碼，結(jié)束后又調(diào)用繼續(xù)原來(lái)的子程序不會(huì)出錯(cuò)，則稱其為可重入(reentrant或re-entrant)。

從根本上來(lái)說(shuō)：

• 可重入函數(shù)只使用自己棧上的變量，不依賴任何外部數(shù)據(jù)，可以允許有該函數(shù)的多個(gè)副本在運(yùn)行，因?yàn)槊總€(gè)調(diào)用者產(chǎn)生的函數(shù)棧都是相互獨(dú)立的;

• 不可重入函數(shù)使用了一些系統(tǒng)資源，如果被中斷的話，可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題;

可重入函數(shù)又分為兩大類(lèi)：

• 顯式可重入：所有函數(shù)的參數(shù)都是值傳遞，并且只使用本地棧變量，那么函數(shù)就是顯示可重入的，無(wú)論如何調(diào)用，都是可重入的，是絕對(duì)無(wú)條件的。

• 隱式可重入：可重入函數(shù)中的一些參數(shù)是引用傳遞，只有在調(diào)用線程的時(shí)候傳遞指向非共享數(shù)據(jù)的指針時(shí)，它才是可重入的，是相對(duì)有條件的。

可重入函數(shù)需要滿足以下幾個(gè)條件：

• 函數(shù)內(nèi)部不使用靜態(tài)或者全局?jǐn)?shù)據(jù)

• 函數(shù)不返回靜態(tài)或全局?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都由調(diào)用者提供

• 不調(diào)用不可重入函數(shù)

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可重入函數(shù)實(shí)現(xiàn)了算法和數(shù)據(jù)的分離，函數(shù)內(nèi)部的計(jì)算不依賴于外部，不影響也不受外部影響，是一種高效且安全的函數(shù)。

可重入函數(shù)都是線程安全函數(shù)，線程安全不一定是可重入函數(shù)。

不可重入函數(shù)可以遵守可重入規(guī)則去改造，從而變?yōu)榭芍厝牒瘮?shù)。

到此，相信大家對(duì)“多線程并發(fā)的特征有哪些”有了更深的了解，不妨來(lái)實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！