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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多線程編程越來(lái)越受到開(kāi)發(fā)者的重視。在多核CPU架構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，多線程編程可以更充分地利用計(jì)算機(jī)的硬件資源，提高程序的性能，提升用戶體驗(yàn)。而Linux作為一種常用的操作系統(tǒng)，其多線程調(diào)度機(jī)制的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化對(duì)于系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性具有重要作用。本文將介紹Linux下多線程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化的相關(guān)知識(shí)。
一、Linux多線程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)原理
在Linux下，線程是輕量級(jí)進(jìn)程的一種，它與進(jìn)程的區(qū)別在于線程共享進(jìn)程的一些系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存空間、文件描述符等。Linux內(nèi)核在執(zhí)行多線程程序時(shí)，使用了搶占式調(diào)度策略，即在內(nèi)核中存儲(chǔ)了所有線程的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度其中的線程。當(dāng)一個(gè)線程因?yàn)榈却齀/O操作或者其他原因阻塞時(shí)，內(nèi)核會(huì)立即切換到另一個(gè)可運(yùn)行狀態(tài)的線程。這種策略可以更大程度地提高CPU的利用率，以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
Linux多線程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示：
1.內(nèi)核空間和用戶空間
Linux程序的內(nèi)存空間分為內(nèi)核空間和用戶空間。內(nèi)核空間只有內(nèi)核可以訪問(wèn)，而用戶空間則可以被用戶程序訪問(wèn)。當(dāng)用戶程序向內(nèi)核發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用（如讀寫文件、創(chuàng)建新線程等）時(shí)，會(huì)在內(nèi)核空間中執(zhí)行。而線程的實(shí)際執(zhí)行都是在用戶空間中完成的。
2.線程記錄
內(nèi)核為每個(gè)線程維護(hù)了一個(gè)記錄，其中記錄了線程的狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、運(yùn)行時(shí)間等信息。
3.就緒隊(duì)列和等待隊(duì)列
內(nèi)核將所有準(zhǔn)備好運(yùn)行的線程都放置在就緒隊(duì)列中，等待被調(diào)度。而等待隊(duì)列則包含了所有等待I/O操作、信號(hào)等事件的線程。
4.調(diào)度算法
Linux內(nèi)核支持多種調(diào)度算法。在常規(guī)情況下，系統(tǒng)會(huì)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法，即將CPU分成若干個(gè)時(shí)間片，然后按照優(yōu)先級(jí)順序?qū)⒚總€(gè)線程分配給一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)一個(gè)時(shí)間片用盡時(shí)，就切換到下一個(gè)線程。這種調(diào)度算法可以保證每個(gè)線程都有機(jī)會(huì)運(yùn)行，并且不會(huì)被其他線程長(zhǎng)時(shí)間占用CPU資源。
5.線程切換
當(dāng)一個(gè)線程由于等待I/O等原因無(wú)法運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核會(huì)立即切換到另一個(gè)可運(yùn)行狀態(tài)的線程。這種切換操作需要消耗系統(tǒng)資源，因此需要進(jìn)行優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。
二、Linux多線程調(diào)度的優(yōu)化
Linux多線程調(diào)度的性能很大程度上取決于調(diào)度算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要對(duì)多線程調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。
1.進(jìn)程優(yōu)先級(jí)調(diào)整
Linux內(nèi)核中的線程是可以設(shè)置優(yōu)先級(jí)的。通常，內(nèi)核會(huì)讓高優(yōu)先級(jí)的線程優(yōu)先運(yùn)行。但是，在特定的情況下，需要降低某個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)，以防止其長(zhǎng)時(shí)間占用CPU資源，導(dǎo)致其他線程無(wú)法運(yùn)行。可以使用prctl()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)改變線程的優(yōu)先級(jí)。
2.線程綁定
在多核CPU架構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，為線程綁定CPU核心可以更大程度地利用系統(tǒng)的硬件資源?？梢允褂胮thread_setaffinity_np()函數(shù)將線程綁定到指定的CPU核心上。
3.減少線程切換開(kāi)銷
線程切換是Linux多線程調(diào)度中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了減少線程切換的開(kāi)銷，可以通過(guò)以下方式進(jìn)行優(yōu)化：
（1）避免過(guò)多的線程切換。通過(guò)合理的線程管理可以避免不必要的線程切換，例如設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)和線程運(yùn)行時(shí)間等。
（2）采用快速上下文切換技術(shù)（Futex）。Futex是一種快速上下文切換技術(shù)，可以將上下文保存在用戶空間中，減少內(nèi)核空間中的內(nèi)存訪問(wèn)和上下文切換時(shí)間。
（3）使用CPU本地存儲(chǔ)器。CPU本地存儲(chǔ)器（CPU Cache）可以存儲(chǔ)線程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以減少內(nèi)存訪問(wèn)的開(kāi)銷，從而提高線程的運(yùn)行速度。
4.避免死鎖
在多線程編程中，由于線程之間共享系統(tǒng)資源，容易造成死鎖的情況。為了避免死鎖的發(fā)生，程序員可以采用以下幾種方式：
（1）避免過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)共享資源。
（2）避免循環(huán)依賴。
（3）使用信號(hào)量或者互斥鎖等同步機(jī)制，保證各個(gè)線程之間的協(xié)調(diào)和同步。
本文對(duì)Linux多線程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)原理和優(yōu)化進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。在實(shí)際應(yīng)用中，程序員需要根據(jù)自己的需求和系統(tǒng)環(huán)境，選擇合適的調(diào)度算法和優(yōu)化技術(shù)，以提高程序的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，在編寫多線程程序時(shí)需要避免死鎖等問(wèn)題，保證程序的正確工作。
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linux多線程為什么不能同時(shí)操作同一個(gè)全局變量：會(huì)使數(shù)據(jù)混亂 （簡(jiǎn)單理解）
因?yàn)?/p>
多線程
的執(zhí)行和CPU調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度有關(guān)，簡(jiǎn)單的理解就是進(jìn)程調(diào)度是把CPU資源分為時(shí)間片，各個(gè)進(jìn)程輪番執(zhí)行，多線程的情況和這個(gè)類似。如果有一個(gè)
全局變量
，有的線程是進(jìn)行寫操作，有的線程是進(jìn)行讀操作，假設(shè)程序員希望的是先對(duì)全局變量進(jìn)行寫，在另一個(gè)線程進(jìn)行讀，但是那個(gè)線程先執(zhí)行不是我們能控制的，這個(gè)調(diào)度工作屬于
操作系統(tǒng)內(nèi)核
，內(nèi)核有它的考量，程序無(wú)法干預(yù)，而且每個(gè)線程的運(yùn)行時(shí)間也不一樣，這個(gè)也影響線程執(zhí)行順序，你就把這個(gè)執(zhí)行順序看成是隨機(jī)的吧（免得你抱有幻想）。所以實(shí)際的執(zhí)行順序有可能是先由一個(gè)線程進(jìn)行讀，然后才有另一個(gè)線程進(jìn)行寫操作，這樣就讀到了一個(gè)舊的值，這就是邏輯錯(cuò)誤咯，典型的bug啊。
其實(shí)多線程也不是不能同時(shí)操作同一個(gè)全局變量，只要用上了多線程里面的“線程同步”技術(shù)就可以了。
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