Linux多线程与同步

Linux多线程与同步

 

典型的UNIX系统都支持一个进程创建多个线程(thread)。在LINUX基础中提到，Linux以进程为单位组织操作，Linux中的线程也都基于进程。尽管实现方式有异于其它的UNIX系统，但Linux的多线程在逻辑和使用上与真正的多线程并没有差别。

 

多线程

我们先来看一下什么是多线程。在Linux程序到进程中，我们看到了一个程序在内存中的表示。这个程序的整个运行过程中，只有一个控制权的存在。当函数被调用的时候，该函数获得控制权，成为激活(active)函数，然后运行该函数中的指令。与此同时，其它的函数处于离场状态，并不运行。如下图所示:

 

我们看到，各个方块之间由箭头连接。各个函数就像是连在一根线上一样，计算机像一条流水线一样执行各个函数中定义的操作。这样的一个程序叫做单线程程序。

多线程就是允许一个进程内存在多个控制权，以便让多个函数同时处于激活状态，从而让多个函数的操作同时运行。即使是单CPU的计算机，也可以通过不停地在不同线程的指令间切换，从而造成多线程同时运行的效果。如下图所示，就是一个多线程的流程:

main()到func3()再到main()构成一个线程，此外func1()和func2()构成另外两个线程。操作系统一般都有一些系统调用来让你将一个函数运行成为一个新的线程。

 

回忆我们在Linux程序到进程中提到的栈的功能和用途。一个栈，只有最下方的帧可被读写。相应的，也只有该帧对应的那个函数被激活，处于工作状态。为了实现多线程，我们必须绕开栈的限制。为此，创建一个新的线程时，我们为这个线程建一个新的栈。每个栈对应一个线程。当某个栈执行到全部弹出时，对应线程完成任务，并收工。所以，多线程的进程在内存中有多个栈。多个栈之间以一定的空白区域隔开，以备栈的增长。每个线程可调用自己栈最下方的帧中的参数和变量，并与其它线程共享内存中的Text，heap和global data区域。对应上面的例子，我们的进程空间中需要有3个栈。

(要注意的是，对于多线程来说，由于同一个进程空间中存在多个栈，任何一个空白区域被填满都会导致stack overflow的问题。)

 

并发

多线程相当于一个并发(concunrrency)系统。并发系统一般同时执行多个任务。如果多个任务可以共享资源，特别是同时写入某个变量的时候，就需要解决同步的问题。比如说，我们有一个多线程火车售票系统，用全局变量i存储剩余的票数。多个线程不断地卖票(i = i - 1)，直到剩余票数为0。所以每个都需要执行如下操作:

/*mu is a global mutex*/

while (1) {                        /*infinite loop*/
    if (i != 0) i = i -1
    else {
      printf("no more tickets");
      exit();
    }
}

如果只有一个线程执行上面的程序的时候(相当于一个窗口售票)，则没有问题。但如果多个线程都执行上面的程序(相当于多个窗口售票), 我们就会出现问题。我们会看到，其根本原因在于同时发生的各个线程都可以对i读取和写入。

我们这里的if结构会给CPU两个指令, 一个是判断是否有剩余的票(i != 0), 一个是卖票 (i = i -1)。某个线程会先判断是否有票(比如说此时i为1)，但两个指令之间存在一个时间窗口，其它线程可能在此时间窗口内执行卖票操作(i = i -1)，导致该线程卖票的条件不再成立。但该线程由于已经执行过了判断指令，所以无从知道i发生了变化，所以继续执行卖票指令，以至于卖出不存在的票 (i成为负数)。对于一个真实的售票系统来说，这将成为一个严重的错误 (售出了过多的票，火车爆满)。

在并发情况下，指令执行的先后顺序由内核决定。同一个线程内部，指令按照先后顺序执行，但不同线程之间的指令很难说清除哪一个会先执行。如果运行的结果依赖于不同线程执行的先后的话，那么就会造成竞争条件(race condition)，在这样的状况下，计算机的结果很难预知。我们应该尽量避免竞争条件的形成。最常见的解决竞争条件的方法是将原先分离的两个指令构成不可分隔的一个原子操作(atomic operation)，而其它任务不能插入到原子操作中。

 

多线程同步

对于多线程程序来说，同步(synchronization)是指在一定的时间内只允许某一个线程访问某个资源 。而在此时间内，不允许其它的线程访问该资源。我们可以通过互斥锁(mutex)，条件变量(condition variable)和读写锁(reader-writer lock)来同步资源。

 

1) 互斥锁

互斥锁是一个特殊的变量，它有锁上(lock)和打开(unlock)两个状态。互斥锁一般被设置成全局变量。打开的互斥锁可以由某个线程获得。一旦获得，这个互斥锁会锁上，此后只有该线程有权打开。其它想要获得互斥锁的线程，会等待直到互斥锁再次打开的时候。我们可以将互斥锁想像成为一个只能容纳一个人的洗手间，当某个人进入洗手间的时候，可以从里面将洗手间锁上。其它人只能在互斥锁外面等待那个人出来，才能进去。在外面等候的人并没有排队，谁先看到洗手间空了，就可以首先冲进去。

上面的问题很容易使用互斥锁的问题解决，每个线程的程序可以改为:

/*mu is a global mutex*/

while (1) {                /*infinite loop*/
  mutex_lock(mu);           /*aquire mutex and lock it, if cannot, wait until mutex is unblocked*/
  if (i != 0) i = i - 1;
  else {
    printf("no more tickets");
    exit();
  }
  mutex_unlock(mu);         /*release mutex, make it unblocked*/
}

第一个执行mutex_lock()的线程会先获得mu。其它想要获得mu的线程必须等待，直到第一个线程执行到mutex_unlock()释放mu，才可以获得mu，并继续执行线程。所以线程在mutex_lock()和mutex_unlock()之间的操作时，不会被其它线程影响，就构成了一个原子操作。

需要注意的时候，如果存在某个线程依然使用原先的程序 (即不尝试获得mu，而直接修改i)，互斥锁不能阻止该程序修改i，互斥锁就失去了保护资源的意义。所以，互斥锁机制需要程序员自己来写出完善的程序来实现互斥锁的功能。我们下面讲的其它机制也是如此。

 

2) 条件变量

条件变量是另一种常用的变量。它也常常被保存为全局变量，并和互斥锁合作。

 

假设这样一个状况: 有100个工人，每人负责装修一个房间。当有10个房间装修完成的时候，老板就通知相应的十个工人一起去喝啤酒。

我们如何实现呢？老板让工人在装修好房间之后，去检查已经装修好的房间数。但多线程条件下，会有竞争条件的危险。也就是说，其他工人有可能会在该工人装修好房子和检查之间完成工作。采用下面方式解决：

/*mu: global mutex, cond: global codition variable, num: global int*/
mutex_lock(mu)

num = num + 1;                      /*worker build the room*/

if (num <= 10) {                     /*worker is within the first 10 to finish*/
    cond_wait(mu, cond);            /*wait*/
    printf("drink beer");
}
else if (num = 11) {                /*workder is the 11th to finish*/
  cond_broadcast(mu, cond);         /*inform the other 9 to wake up*/
}

mutex_unlock(mu);

上面使用了条件变量。条件变量除了要和互斥锁配合之外，还需要和另一个全局变量配合(这里的num, 也就是装修好的房间数)。这个全局变量用来构成各个条件。

 

具体思路如下。我们让工人在装修好房间(num = num + 1)之后，去检查已经装修好的房间数( num < 10 )。由于mu被锁上，所以不会有其他工人在此期间装修房间(改变num的值)。如果该工人是前十个完成的人，那么我们就调用cond_wait()函数。
cond_wait()做两件事情，一个是释放mu，从而让别的工人可以建房。另一个是等待，直到cond的通知。这样的话，符合条件的线程就开始等待。

当有通知(第十个房间已经修建好)到达的时候，condwait()会再次锁上mu。线程的恢复运行，执行下一句prinft("drink beer") (喝啤酒！)。从这里开始，直到mutex_unlock()，就构成了另一个互斥锁结构。

那么，前面十个调用cond_wait()的线程如何得到的通知呢？我们注意到elif if，即修建好第11个房间的人，负责调用cond_broadcast()。这个函数会给所有调用cond_wait()的线程放送通知，以便让那些线程恢复运行。

 

条件变量特别适用于多个线程等待某个条件的发生。如果不使用条件变量，那么每个线程就需要不断尝试获得互斥锁并检查条件是否发生，这样大大浪费了系统的资源。

 

3) 读写锁

读写锁与互斥锁非常相似。r、RW lock有三种状态: 共享读取锁(shared-read), 互斥写入锁(exclusive-write lock), 打开(unlock)。后两种状态与之前的互斥锁两种状态完全相同。

一个unlock的RW lock可以被某个线程获取R锁或者W锁。

如果被一个线程获得R锁，RW lock可以被其它线程继续获得R锁，而不必等待该线程释放R锁。但是，如果此时有其它线程想要获得W锁，它必须等到所有持有共享读取锁的线程释放掉各自的R锁。

如果一个锁被一个线程获得W锁，那么其它线程，无论是想要获取R锁还是W锁，都必须等待该线程释放W锁。

这样，多个线程就可以同时读取共享资源。而具有危险性的写入操作则得到了互斥锁的保护。

 

我们需要同步并发系统，这为程序员编程带来了难度。但是多线程系统可以很好的解决许多IO瓶颈的问题。比如我们监听网络端口。如果我们只有一个线程，那么我们必须监听，接收请求，处理，回复，再监听。如果我们使用多线程系统，则可以让多个线程监听。当我们的某个线程进行处理的时候，我们还可以有其他的线程继续监听，这样，就大大提高了系统的利用率。在数据越来越大，服务器读写操作越来越多的今天，这具有相当的意义。多线程还可以更有效地利用多CPU的环境。

(就像做饭一样，不断切换去处理不同的菜。)

 

本文中的程序采用伪C的写法。不同的语言有不同的函数名(比如mutex_lock)。这里关注的是逻辑上的概念，而不是具体的实现和语言规范。

 

总结

multiple threads, multiple stacks

race condition

mutex, condition variable, RW lock