关于多线程编程的笔记

多线程笔记

2008-8-9 version 1.0

一、 超线程Hyper-Threading

Intel实现的Simultaneous
Multi-Threading技术：一个物理核模拟多个逻辑核；

原理：定义线程只需要体系结构状态信息即可，包括寄存器、cache，通过复制这些状态信息创建多个逻辑处理器，而执行资源（计算资源？执行资源的进一步细分？）被这些逻辑处理器共享；OS可以将多个线程调度到CPU上，但执行资源只有一个，所以微体系结构需要确定线程切换。

也就是说，超线程只是在CPU上保存了两个线程的状态信息，微体系自己确定其调度，以供OS同时调度两个线程到CPU上执行？

HT通过减少CPU闲置时间来提高系统吞吐量，一般约30%；

加速比：可加速部分，程序多核加速能力受限于不可加速部分的比例；

二、 多线程设计的分解方式

分解：进行任务划分，并确定任务间的依赖关系；

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任务分解：不同程序行为使用不同的线程，如GUI的用户界面线程与工作线程；

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数据分解：多个线程对不同的数据块执行相同的操作，如用于音视频处理；

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数据流分解：一个线程的输出作为另一个线程的输入；

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必须避免等待生产者线程结果的过程中，出现消费者线程必须闲置的情况；

n
生产者与消费者之间的交互调度方案；

n
所有线程之间的负载平衡；

可扩展性：性能能否随CPU数量线性增长；

栅栏：用于多核、多处理系统环境中保证存储操作的一致性；

栅障：使线程在控制流的某个逻辑点上集合；

三、 WinAPI

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创建退出：CreateThread、ExitThread、_beginthreadex、_endthreadex：ExitThread会使得线程在清理自动变量、调用C++释函前退出；CreateThread不会执行C运行时数据块的pre-thread initialization，_beginthreadex用于解决该问题；

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暂停恢复：SuspendThread、ResumeThread、TerminateThread，挂起操作可能是危险的，如线程不会释放已经占用的锁，而TerminateThread会使得已经占用的锁无法再释放；

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原子操作：InterlockedIncrement等一系列；InitializeSListHead、InterlockedPushEntrySlist等对链表的原子操作；

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线程池：QueueUserWorkItem；

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优先级：SetProcessPriorityBoost、SetThreadPriorityBoost；

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处理器亲和（Affinity）：SetThreadAffinityMask、SetProcessAffinityMask，强制处理器绑定，SetThreadIdealProcessor建议亲和；通过GetSystemInfo获得CPU信息；

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纤程fiber：提供用户级的线程支持，ConvertThreadToFiber将当前线程转化为主纤程，SwitchToFiber、DeleteFiber、GetCurrentFiber；

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线程命名：使用自定义的函数SetThreadName，仅用于调试器或Windbg；在MSDN上找到的函数实现如下：

//

// Usage: SetThreadName (-1, "MainThread");

//

#define MS_VC_EXCEPTION 0x406D1388

typedef struct tagTHREADNAME_INFO

{

DWORD dwType; //
Must be 0x1000.

LPCSTR szName;
// Pointer to name (in user addr space).

DWORD
dwThreadID; // Thread ID (-1=caller thread).

DWORD dwFlags;
// Reserved for future use, must be zero.

} THREADNAME_INFO;

void SetThreadName( DWORD dwThreadID, LPCSTR
szThreadName)

{

THREADNAME_INFO
info;

info.dwType =
0x1000;

info.szName =
szThreadName;

info.dwThreadID
= dwThreadID;

info.dwFlags =
0;

__try

{

RaiseException( MS_VC_EXCEPTION, 0, sizeof(info)/sizeof(DWORD),
(DWORD*)&info );

}

__except(EXCEPTION_CONTINUE_EXECUTION)

{

}

}

dwThreadID设置为-1表示当前线程；

VS2005的tracepoint——执行到该点时执行某些操作，如调用vs宏；

Windows中，不能在单个进程空间中混用VC提供的静态库和动态库，特别注意exe与用到的dll应使用相同的C库；

四、 GDB线程调试

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创建通告，[New Thread xxx]

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所有线程信息，info threads

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特定线程上的断点，break linespec[/i] thread threadnum [[/i]if a > 3][/i]

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切换线程，thread threadnum[/i]，threadnum[/i]由info threads返回；

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向一组线程发消息：thread apply all[/i] bt，向所有线程发bt消息；thread apply 1 2 bt，向线程1、2发消息；

五、 常见问题

1， 检查程序性能：

OS空闲循环的原因：负载不均衡、被阻塞的同步、过多的串行区、cache未中次数过多、伪共享；

2， 线程过多

控制线程数为核心数或外层cache数，如HT只有一个cache，这样在线程需要较多cache而互相争夺cache时，应将线程数限制为cache数；

将计算线程与I/O线程分离，计算线程大多数时间是可运行线程，I/O线程多数时间在等待外部事件；

3， 死锁的处理

a)
使用数据复制避免使用锁；

b)
锁获取顺序，在获得B前必须先获得A；

c)
尝试获取，获得A后尝试获得B，如果失败则释放A；

4， 锁竞争激烈

a)
不使用锁

b)
细粒度锁

c)
读写锁

5， 非阻塞算法，基于原子操作

一个有趣的算法

long x_old, x_new, x_was;

do{

x_old = x;

x_new = fun(x_old);

x_was = interlockedcompareexchange(&x, x_new,
x_old);

}while(x_was!=x_old)

1） 该算法可能导致ABA问题：x从A被改成B，后又改成A；

2） 非阻塞算法可能导致cache行乒乓现象

3） Free操作是一个复杂的问题；