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1、多线程程序设计中的常见问题 内容 线程过多 数据竞争、死锁和活锁 线程安全函数和库 1. 线程过多 线程是否是越多越好? 多线程目的是为不同程序合理地安排运行时 间,充分利用系统资源 过多的线程可能会严重影响程序的性能。 将给定的工作量划分给过多的线程会造成每个线 程的工作量过少，因此可能导致线程启动和终止 的开销比程序实际工作的开销还要多； 过多并发线程的存在将导致共享有限硬件资源的 开销增大。 1. 线程过多 当软件线程的个数超过CPU核数时， 支持抢占式多任务处理的操作系统一般 会采用时间片轮转调度的方案。 当系统从一个软件线程切换到另一个软 件线程时，它将保存被抢占的软件线程 的线程上
2、下文，并重新加载线程队列中 下一个软件线程的上下文。 1. 线程过多 操作系统的时间片轮转调度方案也将引入额 外开销，随着软件线程的增多，这种开销将 会急剧增加，进而降低系统性能，这种开销 有以下几种： 线程间切换时保存和恢复进程寄存器的开销。随 着线程数目的增加，系统分给每个线程的时间片 相应减少； 使用时间片机制的时候，保存和恢复线程使用的 cache的开销则是更敏感的一种开销。 线程对主存的争夺，导致性能上的损失。 1. 线程过多 还存在一个性质不同，后果可能更加严 重的问题。 护航，指线程聚集在一起，等待获取某一 个锁。某个线程持有一个锁，并且用完了 自己的时间片，所有等待这个锁的线程
3、必 须等待这个线程被唤醒并且释放锁。 1. 线程过多 最好的解决方案： 根据实际情况，使用尽可能少的线程，这样可 以最大限度地减少操作系统资源的使用，并可 提高性能。 不要硬性规定线程的个数，将其作为一个可调 节的参数。OpenMP可以根据需要近两使用 最优数量的线程个数。 使用线程池 2. 数据竞争、死锁和活锁 数据竞争 对共享数据的非同步访问会引发数据竞争 ，程序结果将以不确定的方式依赖两个或 多个线程的相对时间特性。 一个线程可能能够在其时间片执行全部代码，也有可能 只执行其中一部分代码，这就可能出现数据竞争 数据竞争 数据竞争 对共享数据的非同步访问会引起数据竞争 同步访问，如果同步层
4、次比较低，也可能存 在数据竞争。 arraylist容器用于包含一系列不重复的对象 ，所以在将一个对象加入arraylist之前，要 检查该对象是否已经在arraylist里边，虽然 保证arraylist的每个操作不会出现数据竞争 ，但是这些操作的组合可能引发高层次的数 据竞争。 数据竞争 死锁和活锁 有大量的同步策略可以解决数据竞争问 题，其中最简单的就是锁。 锁在一定程度上能避免数据竞争，但是 也给软件开发带来了严重问题。 最主要的问题是，锁不具有可组合性。 造成组装失败的祸首是死锁。 死锁和活锁 死锁发生的四个条件： 互斥（对共享资源的访问是互斥的） 占有并等待 非抢占（资源不能抢占）
5、 循环等待 只要破坏以上条件就可以避免死锁 死锁和活锁 避免死锁 最好的方法是复制原本需要互斥访问的资 源 如果资源无法复制，则按照一定的顺序获 取资源（锁），保持一致的锁获取顺序可 避免死锁环的出现。 每个线程按顺序申请资源锁 给每个资源锁分配一个唯一的整数，以 允许用户比较两个资源锁以确定其先后 顺序。 按地址给锁排序 要求线程知道将要访问的锁地址，才能 访问锁 活锁 活锁是不公平的资源分配策略引起的， 一般可以采用先来先服务的策略解决 线程安全函数和库 为了保证资源的完整性，多线程程序中 所使用的代码必须是可重入的和线程安 全的。 可重入的和线程安全是独立的概念，都 与函数处理资源有关
6、可重入 可重入（reentrant）函数可以由多于 一个任务并发使用，而不必担心数据错 误。可重入函数可以在任意时刻被中断 ，稍后再继续运行，不会丢失数据。 相反， 不可重入（non-reentrant） 函数不能由超过一个任务所共享，除非 能确保函数的互斥（或者使用信号量， 或者在代码的关键部分禁用中断）。 可重入函数 不使用静态数据。 不返回指向静态数据的指针； 使用到的数据都由函数的调用者提供。 使用本地数据，或者通过制作全局数据 的本地拷贝来保护全局数据。 如果必须访问全局变量，记住利用互斥 信号量来保护全局变量。 绝不调用任何不可重入函数。 不可重入函数 函数中使用了静态变量，无论是
7、全局静态变 量还是局部静态变量。 函数返回静态变量。 函数中调用了不可重入函数。 函数体内使用了静态的数据结构； 函数体内调用了malloc()或者free()函数； 函数体内调用了其他标准I/O函数。 总的来说，如果一个函数在重入条件下使用 了未受保护的共享的资源，那么它是不可重 入的。 示例 可重入函数保证了在多线程条件下，函数的状态不 会出现错误。以下分别是一个不可重入和可重入函 数的示例： static int tmp; void func1(int* x, int* y) tmp=*x; *x=*y; *y=tmp; void func2(int* x, int* y) int tm
8、p; tmp=*x; *x=*y; *y=tmp; 编写可重入函 数时，应注意 局部变量的使 用，不应使用 static局部变 量，否则必须 经过特殊处理 ，才能使函数 具有可重入性 。 非可重入函数 可重入化 需要修改函数的对外接口 由调用者提供空间 一个可重入的函数不应该为后续的调用 保持数据（即后继的调用和本次调用无 关），因为下一次调用可能是由不同的 线程调用的。 如果一个函数需要在连续的调用之间维 护一些数据，例如一个工作缓冲区或是 一个指针，这些数据（资源）应该由调 用这个函数的函数提供。 例如：连续调用返回指定字符串 中的小写字符。 char lowercase_c(char *
9、string) static char *buffer; static int index; char c=0; if(string!=NULL) buffer=string; index=0; for(;c=bufferindex;index+) if(islower(c) index+; break; return c; 可重入化，其中的静态数据应 该由它的调用者维护。 char reentrant_lowercase_c(char *string,int *p_index) char c=0; for(;c=string*p_index;(*p_index)+) if(islower(c
10、) (*p_index)+; break; return c; 线程安全 一个线程安全的函数通过“锁”来保护共 享的资源不被并发地访问。“线程安全” 仅关心函数的实现，而不影响它的外部 接口。 局部变量是在栈上动态分配的，因此， 任何一个不使用静态数据和其它共享资 源的函数就是线程安全的。 线程安全化 在一个多线程的程序中，所有的被多线程调 用的函数多必须是线程安全的（或可重入的 ）。注意，不可重入的函数一般都是线程“不 安全”的，然而，将它们改写成可重入的同时 ，一般就会将它们变成线程安全的。 为共享资源加锁 使用静态数据或者其它任何共享资源（如文件、 终端等）的函数，必须对这些资源加“锁”
11、以实现 对它们的串行访问，这样才能成为线程安全的函 数 int increament_counter() static int counter=0; counter+; return counter; /* pseudo-code thread-safe function*/ int increment_counter() static int counter=0; static lock_type counter_lock=LOCK_INITIALIZER; lock(counter_lock); counter+; unlock(counter_lock); return counter; 使用非安全函数库 使用作用于整个函数的锁 使用作用于单个库组件或是一组组件的 锁 使用作用于整个函数的锁 该解决方法可能造成性能瓶颈 使用作用于单个库组件或是一 组组件的锁