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在計算機科學領(lǐng)域，多線程是指一個進程中多個線程并行運行的能力。在Linux操作系統(tǒng)中，多線程是一種廣泛使用的技術(shù)，它可以提高程序的效率和性能。本文將介紹如何掌握Linux多線程技術(shù)，讓程序更高效。
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1. 理解多線程概念
在Linux操作系統(tǒng)中，每個進程都有自己的地址空間、數(shù)據(jù)棧、程序計數(shù)器和其他寄存器。每個進程可以具有多個線程，這些線程可以分享它們的虛擬地址空間和其他資源。多個線程可以同時執(zhí)行，從而提高程序的效率。
2. 創(chuàng)建和管理線程
在Linux中，創(chuàng)建和管理線程需要使用pthread庫。該庫提供了一組API函數(shù)，可以用于創(chuàng)建、銷毀、等待線程等操作。
在創(chuàng)建線程時，需要指定線程函數(shù)。線程函數(shù)包含要執(zhí)行的代碼。線程函數(shù)必須是以下格式：
void *FunctionName(void *argument);
其中，void *表示沒有類型的指針，argument是傳遞給線程函數(shù)的參數(shù)。
線程可以使用pthread_create()函數(shù)進行創(chuàng)建。該函數(shù)的格式如下：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void*), void *arg);
其中，thread是指向線程標識符的指針。attr是指向用于設(shè)置線程屬性的指針。start_routine是指向線程函數(shù)的指針。arg是指向線程函數(shù)參數(shù)的指針。
通過這個函數(shù)創(chuàng)建的線程會立即開始執(zhí)行。在創(chuàng)建線程后，可以通過pthread_join()函數(shù)來等待線程結(jié)束。該函數(shù)的格式如下：
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
其中，thread是要等待的線程標識符。retval是指向線程返回值的指針。
3. 線程同步
在線程間共享資源時，需要確保資源的一致性和正確性。線程同步是實現(xiàn)這種目的的一種方法。線程同步可以通過信號量、互斥鎖和條件變量來實現(xiàn)。
信號量是一種機制，用于控制多個線程的互斥訪問。互斥鎖是一種保護共享資源的鎖定機制，它確保只有一個線程可以訪問共享資源。條件變量用于在線程間傳遞信號。
在Linux中，可以使用sem_init()函數(shù)初始化信號量，pthread_mutex_init()函數(shù)來初始化互斥鎖，pthread_cond_init()函數(shù)來初始化條件變量。
可以使用sem_wt()函數(shù)來執(zhí)行信號量等待操作，pthread_mutex_lock()函數(shù)來執(zhí)行互斥鎖定操作，pthread_cond_wt()函數(shù)來執(zhí)行條件變量等待操作。相應的，對應的解鎖和條件信號發(fā)送也有對應的函數(shù)。
4. 線程池
線程池是一種常用的多線程技術(shù)，它提供了一個線程隊列，可以將多個任務提交到這個隊列中。線程池會根據(jù)需要自動創(chuàng)建線程來處理這些任務。
在Linux中，可以使用pthread_pool庫來實現(xiàn)線程池。該庫提供了一組API函數(shù)，可以用于創(chuàng)建、銷毀和管理線程池，包括添加任務和執(zhí)行任務等操作。
使用線程池可以提高程序的效率和性能，因為線程池中的線程可以重復使用，從而減少了創(chuàng)建和銷毀線程的時間和開銷。
5. 線程安全
線程安全是指當多個線程同時訪問一個共享資源時，不會發(fā)生競爭條件或其他問題的能力。
在編寫多線程程序時，需要保證程序的線程安全?？梢圆捎靡韵路椒▉肀ＷC線程安全：
– 使用鎖保護共享資源，確保同時只有一個線程可以訪問資源。
– 將線程不安全的函數(shù)或變量封裝到一個線程安全的類或?qū)ο笾小?/p>
– 確保在訪問共享資源之前先檢查線程ID，以確定是否有線程正在訪問資源。
– 處理競爭條件，例如使用條件變量或信號量來同步線程訪問。
在本文中，介紹了如何掌握Linux多線程技術(shù)，讓程序更高效。這包括理解多線程概念、創(chuàng)建和管理線程、線程同步、線程池和線程安全等知識。通過學習這些內(nèi)容，可以更好地編寫高效、安全的多線程程序。
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- 如何看懂《Linux多線程服務端編程
如何看懂《Linux多線程服務端編程
一：進程和線程
每個進程有自己獨立的地址空間。“在同一個進程”還是“不在同一個進程”是系統(tǒng)功能劃分的重要決策點?！禘rlang程序設(shè)計》把進程比喻為人：
每個人有自己的記憶（內(nèi)存），人與人通過談話（消息傳遞）來交流，談話既可以是面談姿并野（同一臺服務器），也可以在里談（不同的服務器，有網(wǎng)絡通信）。面談和談的區(qū)別在于，面談可以立即知道對方是否死了（crash,SIGCHLD），而談只能通過周期性的心跳來判斷對方是否還活著。
有了這些比喻，設(shè)計分布式系統(tǒng)時可以采取“角色扮演”，團隊里的幾個人各自扮演一個進程，人的角色由進程的代碼決定（管登錄的、管消息分發(fā)的、管買賣的等等）。每個人有自己的記憶，但不知道別人的記憶，要想知道別人的看法，只能通過交談（暫不考慮共享內(nèi)存這種IPC）。然后就可以思考：跡喊
·容錯：萬一有人突然死了
·擴容：新人中途加進來
·負載均衡：把甲的活兒挪給乙做
·退休：甲要修復bug，先別派新任務，等他做完手上的事情就把他重啟
等等各種場景，十分便利。
線程的特點是共享地址空間，從而可以高效地共享數(shù)據(jù)。一臺機器上的多個進程能高效地共享代碼段(操作系統(tǒng)可以映射為同樣的物理內(nèi)存)，但不能共享數(shù)據(jù)。如果多個進程大量共享內(nèi)存，等于是把多進程程序當成多線程來寫，掩耳盜鈴。
“多線程”的價值，我認為是為了更好地發(fā)揮多核處理器(multi-cores)的效能。在單核時代，多線程沒有多大價值（個人想法：如果要完成的任務是CPU密集型的，那多線程沒有優(yōu)勢，甚至因為線程切換的開銷，多線程反而更慢；如果要完成的任務既有CPU計算，又有磁盤或網(wǎng)絡IO，則使用多線程的好處是，當某個線程因為IO而阻塞時，OS可以調(diào)度其他線程執(zhí)行，雖然效率確實要比任務的順序執(zhí)行效率要高，然而，這種類型的任務，可以通過單線程的”non-blocking IO+IO multiplexing”的模型（事件驅(qū)動）來提高效率，采用多線程的方式，帶來的可能僅僅是編程上的簡單而已）。Alan Cox說過：”A computer is a state machine.Threads are for people who can’t program state machines.”（計算機是一臺狀態(tài)機。線程是給那些不能編寫狀態(tài)機程序的人準備的）如果只有一塊CPU、一個執(zhí)行單元，那么確實如Alan Cox所說，按狀態(tài)機的思路去寫程序是最蔽謹高效的。
二：單線程服務器的常用編程模型
據(jù)我了解，在高性能的網(wǎng)絡程序中，使用得最為廣泛的恐怕要數(shù)”non-blocking IO + IO multiplexing”這種模型，即Reactor模式。
在”non-blocking IO + IO multiplexing”這種模型中，程序的基本結(jié)構(gòu)是一個事件循環(huán)（event loop），以事件驅(qū)動（event-driven）和事件回調(diào)的方式實現(xiàn)業(yè)務邏輯：
view plain copy
//代碼僅為示意，沒有完整考慮各種情況
while(!done)
{
int timeout_ms = max(1000, getNextTimedCallback());
int retval = poll(fds, nfds, timeout_ms);
if (retval0){
處理IO事件，回調(diào)用戶的IO event handler
}
}
}
這里select(2)/poll(2)有伸縮性方面的不足（描述符過多時，效率較低），Linux下可替換為epoll(4)，其他操作系統(tǒng)也有對應的高性能替代品。
Reactor模型的優(yōu)點很明顯，編程不難，效率也不錯。不僅可以用于讀寫socket，連接的建立(connect(2)/accept(2))，甚至DNS解析都可以用非阻塞方式進行，以提高并發(fā)度和吞吐量(throughput)，對于IO密集的應用是個不錯的選擇。lighttpd就是這樣，它內(nèi)部的fdevent結(jié)構(gòu)十分精妙，值得學習。
基于事件驅(qū)動的編程模型也有其本質(zhì)的缺點，它要求事件回調(diào)函數(shù)必須是非阻塞的。對于涉及網(wǎng)絡IO的請求響應式協(xié)議，它容易割裂業(yè)務邏輯，使其散布于多個回調(diào)函數(shù)之中，相對不容易理解和維護。
三：多線程服務器的常用編程模型
大概有這么幾種：
a：每個請求創(chuàng)建一個線程，使用阻塞式IO操作。在Java 1.4引人NIO之前，這是Java網(wǎng)絡編程的推薦做法?？上炜s性不佳（請求太多時，操作系統(tǒng)創(chuàng)建不了這許多線程）。
b：使用線程池，同樣使用阻塞式IO操作。與第1種相比，這是提高性能的措施。
c：使用non-blocking IO + IO multiplexing。即Java NIO的方式。
d：Leader/Follower等高級模式。
在默認情況下，我會使用第3種，即non-blocking IO + one loop per thread模式來編寫多線程C++網(wǎng)絡服務程序。
1：one loop per thread
此種模型下，程序里的每個IO線程有一個event loop，用于處理讀寫和定時事件（無論周期性的還是單次的）。代碼框架跟“單線程服務器的常用編程模型”一節(jié)中的一樣。
libev的作者說：
One loop per thread is usually a good model. Doing this is almost never wrong, some times a better-performance model exists, but it is always a good start.
這種方式的好處是：
a：線程數(shù)目基本固定，可以在程序啟動的時候設(shè)置，不會頻繁創(chuàng)建與銷毀。
b：可以很方便地在線程間調(diào)配負載。
c：IO事件發(fā)生的線程是固定的，同一個TCP連接不必考慮事件并發(fā)。
Event loop代表了線程的主循環(huán)，需要讓哪個線程干活，就把timer或IO channel（如TCP連接）注冊到哪個線程的loop里即可：對實時性有要求的connection可以單獨用一個線程；數(shù)據(jù)量大的connection可以獨占一個線程，并把數(shù)據(jù)處理任務分攤到另幾個計算線程中（用線程池）；其他次要的輔助性connections可以共享一個線程。
比如，在dbproxy中，一個線程用于專門處理客戶端發(fā)來的管理命令；一個線程用于處理客戶端發(fā)來的MySQL命令，而與后端數(shù)據(jù)庫通信執(zhí)行該命令時，是將該任務分配給所有事件線程處理的。
對于non-trivial（有一定規(guī)模）的服務端程序，一般會采用non-blocking IO + IO multiplexing，每個connection/acceptor都會注冊到某個event loop上，程序里有多個event loop，每個線程至多有一個event loop。
多線程程序?qū)vent loop提出了更高的要求，那就是“線程安全”。要允許一個線程往別的線程的loop里塞東西，這個loop必須得是線程安全的。
在dbproxy中，線程向其他線程分發(fā)任務，是通過管道和隊列實現(xiàn)的。比如主線程accept到連接后，將表示該連接的結(jié)構(gòu)放入隊列，并向管道中寫入一個字節(jié)。計算線程在自己的event loop中注冊管道的讀事件，一旦有數(shù)據(jù)可讀，就嘗試從隊列中取任務。
2：線程池
不過，對于沒有IO而光有計算任務的線程，使用event loop有點浪費?？梢允褂靡环N補充方案，即用blocking queue實現(xiàn)的任務隊列：
view plain copy
typedef boost::functionFunctor;
BlockingQueue taskQueue; //線程安全的全局阻塞隊列
//計算線程
void workerThread()
{
while (running) //running變量是個全局標志
{
Functor task = taskQueue.take(); //this blocks
task(); //在產(chǎn)品代碼中需要考慮異常處理
}
}
// 創(chuàng)建容量（并發(fā)數(shù)）為N的線程池
int N = num_of_computing_threads;
for (int i = 0; i task = boost::bind(&Foo::calc，&foo);
taskQueue.post(task);
除了任務隊列，還可以用BlockingQueue實現(xiàn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者消費者隊列，即T是數(shù)據(jù)類型而非函數(shù)對象，queue的消費者從中拿到數(shù)據(jù)進行處理。其實本質(zhì)上是一樣的。
3：總結(jié)
總結(jié)而言，我推薦的C++多線程服務端編程模式為：one (event) loop per thread + thread pool：
event loop用作IO multiplexing，配合non-blockingIO和定時器；
thread pool用來做計算，具體可以是任務隊列或生產(chǎn)者消費者隊列。
以這種方式寫服務器程序，需要一個優(yōu)質(zhì)的基于Reactor模式的網(wǎng)絡庫來支撐，muduo正是這樣的網(wǎng)絡庫。比如dbproxy使用的是libevent。
程序里具體用幾個loop、線程池的大小等參數(shù)需要根據(jù)應用來設(shè)定，基本的原則是“阻抗匹配”（解釋見下），使得CPU和IO都能高效地運作。所謂阻抗匹配原則：
如果池中線程在執(zhí)行任務時，密集計算所占的時間比重為 P (0 就能立刻列出用到某服務的客戶端地址（Foreign Address列），然后在客戶端的機器上用netstat或lsof命令找出是哪個進程發(fā)起的連接。TCP短連接和UDP則不具備這一特性。二是通過接收和發(fā)送隊列的長度也較容易定位網(wǎng)絡或程序故障。在正常運行的時候，netstat打印的Recv-Q和Send-Q都應該接近0，或者在0附近擺動。如果Recv-Q保持不變或持續(xù)增加，則通常意味著服務進程的處理速度變慢，可能發(fā)生了死鎖或阻塞。如果Send-Q保持不變或持續(xù)增加，有可能是對方服務器太忙、來不及處理，也有可能是網(wǎng)絡中間某個路由器或交換機故障造成丟包，甚至對方服務器掉線，這些因素都可能表現(xiàn)為數(shù)據(jù)發(fā)送不出去。通過持續(xù)監(jiān)控Recv-Q和Send-Q就能及早預警性能或可用性故障。以下是服務端線程阻塞造成Recv-Q和客戶端Send-Q激增的例子：
view plain copy
$netstat -tn
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign
tcp.0.0.10:.0.0.10:#服務端連接
tcp.0.0.10:.0.0.10:#客戶端連接
tcp.0.0.10:.0.0.4:
五：多線程服務器的適用場合
如果要在一臺多核機器上提供一種服務或執(zhí)行一個任務，可用的模式有：
a：運行一個單線程的進程；
b：運行一個多線程的進程；
c：運行多個單線程的進程；
d：運行多個多線程的進程；
考慮這樣的場景：如果使用速率為50MB/s的數(shù)據(jù)壓縮庫，進程創(chuàng)建銷毀的開銷是800微秒，線程創(chuàng)建銷毀的開銷是50微秒。如何執(zhí)行壓縮任務？
如果要偶爾壓縮1GB的文本文件，預計運行時間是20s，那么起一個進程去做是合理的，因為進程啟動和銷毀的開銷遠遠小于實際任務的耗時。
如果要經(jīng)常壓縮500kB的文本數(shù)據(jù)，預計運行時間是10ms，那么每次都起進程 似乎有點浪費了，可以每次單獨起一個線程去做。
如果要頻繁壓縮10kB的文本數(shù)據(jù)，預計運行時間是200微秒，那么每次起線程似 乎也很浪費，不如直接在當前線程搞定。也可以用一個線程池，每次把壓縮任務交給線程池，避免阻塞當前線程（特別要避免阻塞IO線程）。
由此可見，多線程并不是萬靈丹(silver bullet)。
1：必須使用單線程的場合
據(jù)我所知，有兩種場合必須使用單線程：
a：程序可能會fork(2)；
實際編程中，應該保證只有單線程程序能進行fork(2)。多線程程序不是不能調(diào)用fork(2)，而是這么做會遇到很多麻煩：
fork一般不能在多線程程序中調(diào)用，因為Linux的fork只克隆當前線程的thread of control，不可隆其他線程。fork之后，除了當前線程之外，其他線程都消失了。
這就造成一種危險的局面。其他線程可能正好處于臨界區(qū)之內(nèi)，持有了某個鎖，而它突然死亡，再也沒有機會去解鎖了。此時如果子進程試圖再對同一個mutex加鎖，就會立即死鎖。因此，fork之后，子進程就相當于處于signal handler之中（因為不知道調(diào)用fork時，父進程中的線程此時正在調(diào)用什么函數(shù)，這和信號發(fā)生時的場景一樣），你不能調(diào)用線程安全的函數(shù)（除非它是可重入的），而只能調(diào)用異步信號安全的函數(shù)。比如，fork之后，子進程不能調(diào)用：
malloc，因為malloc在訪問全局狀態(tài)時幾乎肯定會加鎖；
任何可能分配或釋放內(nèi)存的函數(shù)，比如snprintf；
任何Pthreads函數(shù)；
printf系列函數(shù)，因為其他線程可能恰好持有stdout/stderr的鎖；
除了man 7 signal中明確列出的信號安全函數(shù)之外的任何函數(shù)。
因此，多線程中調(diào)用fork，唯一安全的做法是fork之后，立即調(diào)用exec執(zhí)行另一個程序，徹底隔斷子進程與父進程的聯(lián)系。
在多線程環(huán)境中調(diào)用fork，產(chǎn)生子進程后。子進程內(nèi)部只存在一個線程，也就是父進程中調(diào)用fork的線程的副本。
使用fork創(chuàng)建子進程時，子進程通過繼承整個地址空間的副本，也從父進程那里繼承了所有互斥量、讀寫鎖和條件變量的狀態(tài)。如果父進程中的某個線程占有鎖，則子進程同樣占有這些鎖。問題是子進程并不包含占有鎖的線程的副本，所以子進程沒有辦法知道它占有了哪些鎖，并且需要釋放哪些鎖。
盡管Pthread提供了pthread_atfork函數(shù)試圖繞過這樣的問題，但是這回使得代碼變得混亂。因此《Programming With Posix Threads》一書的作者說：”Avoid using fork in threaded code except where the child process will immediately exec a new program.”。
b：限制程序的CPU占用率；
這個很容易理解，比如在一個8核的服務器上，一個單線程程序即便發(fā)生busy-wait，占滿1個core，其CPU使用率也只有12.5%，在這種最壞的情況下，系統(tǒng)還是有87.5%的計算資源可供其他服務進程使用。
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