多线程编程精髓(四)

(1)锁使用实践经验总结:1.尽量减少锁的使用,加锁和解锁会有系统开销,临界区的代码是不能并发执行的,进入临界区次数频繁,线程竞争过于激烈则会陷入阻塞,让出CPU,导致

多次无效的上下文切换,可使用无锁队列替换。

                                          2.明确锁的范围,减少锁的粒度,减小锁使用粒度指的是尽量减小锁作用的临界区代码范围,临界区的代码范围越小,多个线程排队进入临界区的时间就会越

短,改写代码顺序结构,也可以使用{ }花括号确定锁的临界区代码范围最小化 。

                                           3.避免死锁的出现,使用 RAII 技术将加锁和解锁代码封装起来,避免出口处没有解锁;线程退出时一定要及时释放持有的锁;多线程请求锁的方向一致,比如都是

先请求A锁,再请求B锁,不要出现其他线程先请求B锁,再请求A锁;当同一线程重复请求锁时,明确是递增锁引用计数,还是会阻塞抑或是直接获得锁。

                                            4,避免活锁的出现,所谓活锁就是,当多个线程使用 trylock 系列的函数时,由于多个线程相互谦让,导致即使在某段时间内锁资源是可用的,也可能导致需要

锁的线程拿不到锁,因此避免不要过多的线程使用 trylock 请求锁导致资源浪费。

(2)线程局部存储:每个线程都拥有自己的局部属性,并行不悖,互不干扰,该属性会一直存在直到线程退出。

          1.  windows下的系统Tls函数的 API:

                    DWORD   TlsAlloc();  //获得一个线程局部存储块的索引,调用失败返回TLS_OUT_OF_INDEXES(0xFFFFFFFF),否则返回正确索引值

                    LPVOID    TlsGetValue(DWORD dwTlsIndex);   //使用索引块获取内存存储的数据

                    BOOL        TlsSetValue(DWORD dwTlsIndex, LPVOID lpTlsValue); // 使用索引块设置内存存储数据

                    BOOL        TlsFree(DWORD dwTlsIndex);  //释放存储区域

         此外Microsoft VC++ 编译器还提供如右所示方法 定义线程局部变量:__declspec(thread)  int  g_mydata = 1;

            2. linux下系统的NTPL 提供了API函数:

                     int     pthread_key_create(pthread_key_t* key,void(*destructor)(void*));  //调用成功会为线程局部存储创建一个新键key,根据key去设置和获取数据,参数 destructor 是一个

自定义函数指针,void*destructor(void* value){   /*多是为了释放 value 指针指向的资源*/} ,线程终止时,如果 key 关联的值不是 NULL,那么 NTPL 会自动执行定义的 destructor 函数;

如果无须解构,可以将 destructor 设置为 NULL,函数返回非0表示创建失败

                     int     pthread_key_delete(pthread_key_t key); //释放key存储区域

                     int     pthread_setspecific(pthread_key_t key,const void*value); //使用Key 设置存储数据

                     void* pthread_getspecific(pthread_key_t key); //使用key获得存储数据

                   如图所示,五个线程 记录槽位分配情况的数据结构 pthread_keys 是进程唯一的,pthread_keys 结构示意图如下:

结构图

           此外也和windows一样提供方法定于线程局部变量:__thread int val = 0;

           3. C++ 11 标准提供了一个新的关键字 thread_local 来定义一个线程变量,可兼容windows和linux运行,如 : thread_local int g_mydata = 1; 但需要注意的是,此关键字需要在

Visual Studio 2015 及以上版本才能支持。

(3)C库的非线程安全函数:最初编写很多 CRT 函数时,还没有多线程技术,很多函数内部实现都使用了函数内部的静态变量和全局变量。随着多线程技术的出现,很多函数出现

了对应的多线程安全版本,如localtime-> localtime_r、strtok->strtok_r,在这些函数内部很多改用了线程局部存储 技术来替代原来使用静态变量或者全局变量的做法,所以应当使用多线程

安全版本函数替换非线程安全版本函数。

(4)线程池和队列系统的设计:线程池是一组线程的集合,当程序异步执行一些任务时,任务产生和执行是贯穿程序整个生命周期的,通常需要创建一组在程序生命周期内不会退出的

线程,为了不浪费系统资源,与其让操作系统频繁地创建和销毁线程,不如由程序根据任务的生产消费决定线程的休眠和唤醒,因此出现线程池的概念。在程序生命周期会有多个任务,

任务存放的地方即为队列,此处并不简单指向一个list,以是一个全局变量、链表等,队列可以先进先出,单向存储或者循环存储,涉及数据结构的设计不多描述,队列是线程的公共资

源,多个线程同时操作这个队列一般需要加锁。技术上除了要解决线程池的创建、往队列中投递任务、从队列中取任务处理,还需要做一些善后工作,如线程池的清理,即如何退出线程

池中的工作线程和清理任务队列。

           当然,随着技术的发展,出于复用和解耦的目的,业界产生了许多独立的队列系统,这些队列系统或以一个独立的进程运行或以支持分布式的一组服务运行,这种独立的队

列系统称之为消息中间件,比如 Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ、RocketMQ 等,这些消息中间件在功能上做了丰富的扩展,如消费的方式、主备切换、容灾容错,数据自动备份和过期

数据自动清理等等,适当学习使用甚至能了解设计思想也是很重要的。

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