多線程應用程序并行性

通常，在多線程應用程序中有兩種相互關聯但不同的現象：并發性和并行性。

并發是兩個或多個線程在執行中重疊的能力。

并行性是同時執行兩個或多個線程的能力。

正是并發性導致了流式處理中的大多數復雜性 - 線程可以以不可預測的順序執行。在線程共享資源的情況下，這無疑會導致競爭條件。

術語爭用條件通常是指對兩個和多個線程的共享資源的不同步訪問導致錯誤的程序行為的情況。

讓我們看一個比賽的例子。

如今，很難想象我們沒有塑料卡的生活。ATM取款很久以前就成為日常工作：插入卡，輸入PIN碼和所需的金額。如果成功完成，我們將收到計劃的現金金額。反過來，銀行需要通過以下算法驗證資金是否可用：

銀行賬戶上是否至少有 X 個單位的可用貨幣？

如果是，將帳戶余額減少 X 值，向用戶分配 X 個貨幣單位。

否則，將生成錯誤消息。

具有爭用條件的代碼示例：

int cash_out(struct account *ac, int amount) {

const int balance = ac->balance;

if (balance < amount)

return -1;

ac->balance = balance - amount;

discard_money_routine(amount);

return 0;

}

當在線支付購買并“同時”從 ATM 提取現金時，可能會出現種族。

為了避免比賽，有必要對代碼進行以下更新：

int cash_out(struct account *ac, int amount) {

lock();

const int balance = ac->balance;

if (balance < amount)

return -1;

ac->balance = balance - amount;

unlock();

discard_money_routine(amount);

return 0;

}

在Windows操作系統中，需要獨占訪問某些共享數據的代碼區域稱為“關鍵部分”。

用于處理關鍵部分的結構類型為CRITICAL_SECTION。讓我們回顧一下它的字段：

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {

PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;

//

// The following three fields control entering and exiting the critical

// section for the resource

//

LONG LockCount;

LONG RecursionCount;

HANDLE OwningThread; // from the thread's ClientId->UniqueThread

HANDLE LockSemaphore;

ULONG_PTR SpinCount; // force size on 64-bit systems when packed

} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

盡管CRITICAL_SECTION正式不屬于未記錄的結構，但微軟仍然認為用戶無需了解其組織。實際上，它是一種黑匣子。要使用此結構，無需直接使用其字段，而只需通過 Windows 函數，將此結構的相應實例的地址傳遞給它們。

CRITICAL_SECTION結構通過以下調用初始化：

void 初始化關鍵部分（PCRITICAL_SECTION 個）;

如果我們知道不再需要CRITICAL_SECTION結構，那么我們可以借助以下調用將其刪除：

無效刪除關鍵部分（PCRITICAL_SECTION個）;

使用共享資源的代碼區域應先進行以下調用：

無效的進入臨界部分（PCRITICAL_SECTION個）;

我們可以使用以下命令代替EnterCriticalSection：

bool 嘗試輸入關鍵部分（PCRITICAL_SECTION 個）;

TryEnterCriticalSection允許線程檢查資源可訪問性，并在無法訪問時參與另一個活動。在成功的情況下（函數返回TRUE），很明顯結構元素已更新，資源已鎖定。

在使用共享資源的代碼區域末尾，應始終存在以下調用：

void LeaveCriticalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

LeaveCriticalSection檢查CRITICAL_SECTION結構元素，并將資源鎖定計數器 （LockCount） 減少 1。

類似于 Linux 操作系統中的CRITICAL_SECTION是可變互斥pthread_mutex_t。在使用之前，需要初始化此變量 – 寫入常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER的值或調用pthread_mutex_init函數。

#include

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,

const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

要使用默認屬性值初始化互斥鎖，必須將NULL傳遞給attr屬性?？梢栽趲椭撁嫔险业教囟ǖ幕コ怄i屬性值。

可以通過以下調用刪除互斥鎖：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

通過調用pthread_mutex_lock函數鎖定互斥鎖：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

如果互斥鎖已被鎖定，則調用線程將被阻塞，直到釋放互斥鎖?；コ怄i在pthread_mutex_unlock功能的幫助下解鎖：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

如果我們想檢查資源的可訪問性，那么我們可以使用pthread_mutex_trylock函數：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

如果互斥鎖被鎖定，上述函數將返回EBUSY。

所有用于處理互斥鎖的函數在成功時返回 0，在失敗時返回錯誤代碼。

讓我們總結一下。在 Windows 操作系統中，要使用共享資源，必須使用關鍵部分和特殊類型的CRITICAL_SECTION。在 Linux 操作系統中，我們可以出于相同目的使用pthread_mutex_t類型的互斥體。

同步功能記錄在表 4 中。

窗口函數	Linux函數
初始化關鍵部分	pthread_mutex_init（）
進入關鍵部分	pthread_mutex_lock（）
離開關鍵部分	pthread_mutex_unlock（）
嘗試進入關鍵部分	pthread_mutex_trylock（）
刪除關鍵部分	pthread_mutex_destroy（）

表 4.共享資源的同步功能。

螺紋端接

在實踐中，需要編寫線程終止的情況之一是海量數據處理。當主線程向所有線程發出退出信號，但其中一個線程仍在處理信息時，可能會出現這種情況。如果與信息丟失相比，及時性是應用程序性能的更高優先級因素，則需要退出線程并釋放系統資源。本節將介紹退出線程的方法。

線程可以通過以下方式退出：

線程函數返回

線程調用 ExitThread 函數

進程的任何線程都調用 TerminateThread 函數

進程的任何線程都調用 ExitProcess 函數

讓我們仔細看看其中的每一個。

線程函數返回。

干凈代碼的一個很好的例子是設計線程函數，以便線程僅在函數返回后終止。在 Windows 操作系統中，這種線程終止方式保證正確清理線程擁有的資源。在 Linux 操作系統中，在線程可連接的情況下，必須調用其中一個連接函數。在一般情況下，會發生以下情況：

系統正確釋放線程占用的資源。

系統設置線程退出代碼。

此內核對象 ?thread? 的用戶計數器減少 1。

在 Windows 操作系統中，可以通過調用以下內容來強制終止線程：

void ExitThread（DWORD dwExitCode）;

線程退出代碼值將添加到dwExitCode參數中。很容易注意到該函數沒有返回值，因為在調用該函數后，線程將不復存在。

在Linux操作系統中，有一個完整的ExitThread模擬：

void pthread_exit(void *rval_ptr);

參數rval_ptr表示包含返回值的非類型指針。此指針可由調用pthread_join函數的其他進程線程獲取。

函數調用pthread_join將線程帶到分離狀態。此狀態允許贏回線程資源。如果線程已處于分離狀態，則調用pthread_join的線程將收到ESRCH錯誤代碼。有時，當使用第二個非NULL參數調用pthread_join時，可能會輸出分段錯誤錯誤。

進程的任何線程都調用 TerminateThread 函數。

一個線程可以傳遞請求以強制終止同一進程中的另一個線程。在Windows操作系統中，這是在以下功能的幫助下組織的：

bool TerminateThread(

HANDLE hThread,

DWORD dwExitCode

);

上述函數從任何其他線程終止了 hThread線程。您可以向dwExitCode參數添加一個值，系統將視之為線程退出代碼。線程被殺死后，此內核對象 ?thread? 的用戶計數器將減少 1。

在 Linux 操作系統中，當一個線程可以通過調用pthread_cancel函數傳遞強制終止同一進程中另一個線程的請求時，可以實現類似的功能：

int pthread_cancel（pthread_t tid）;

此函數需要與pthread_setcancelstate和pthread_setcanceltype函數結合使用。如果使用pthread_cancel，rval_ptr將被PTHREAD_CANCELED。

讓我們仔細看看erminateThread和 Linux 操作系統中的類似操作：

#ifdef __PL_WINDOWS__

BOOL bret = FALSE;

bret = TerminateThread(h, x);

#endif //__PL_WINDOWS__

#ifdef __PL_LINUX__

int iret = 0, bret;

iret = syscall(SYS_tkill,tid, 0);

if (iret == 0) {

iret = pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS,NULL);

if (iret != 0) {

bret = FALSE;

}

else {

iret = pthread_cancel(h);

if (iret == 0 || iret == ESRCH) {

bret = TRUE;

} else {

wait_thread:

clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &wait_time);

ADD_MS_TO_TIMESPEC(wait_time, 1000); //1000 ms

iret = pthread_timedjoin_np(h, NULL, &wait_time);

switch (iret) {

case 0:

bret = TRUE;

break;

case ETIMEDOUT:

if (retries_count++ < 5) // 5 Attempts

{

goto wait_thread;

}

bret = FALSE;

break;

default:

bret = FALSE;

break;

}

}

(void)pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED,NULL);

}

}

else {

bret = TRUE;

}

#endif //__PL_LINUX__

審核編輯：郭婷