thread

Posted 2020-12-17 finesimpletop

多线程编程

并发编程的目的是：

1. 提高资源的利用率
2. 提高响应速度

常见资源

• 带宽
• 链接数
• cpu
• 内存
• gpu

同步原语

• 原子操作

  • 保证内存读取-修改-写回序列原子执行。
  • 原子意味着本地cpu不被中断或内存总线（或缓存）加锁
  • 是同步的基础

• 锁

  • 原子操作
  • 状态

自旋锁(spinlock)
锁 + 自旋

信号量（semaphore)
锁 + 等待队列

互斥量(mutex)
binary 信号量

条件变量(condition variable)

管程(monitor)
高级同步元素，编程语言实现。有（变量 + 操作组成）

内存模型

多核CPU，每个CPU单独的Cache，主内存只有一个。

重排序

• 编译器重排 合并读 合并写 变量推测（省掉分支）中间变量消除 很多优化在多线程下是不安全的。
• cpu重排 指令预取，pipeline调度
• 内存重排 由于缓存存在，写缓存意味着还没结束，并且难以预测何时结束。多线程下不安全。

内存屏障
屏障导致缓存flush和失效
简单分为四类：

• loadload 读屏障 禁止前后读重排
• storestore 写屏障 禁止前后写重排
• storeload 一般屏障 禁止前后读和写重排
• loadstore 少见。linux还有一种数据依赖的屏障

另外锁/原子量的acquire/release操作隐含了内存屏障的作用。
还有sleep thread.start thread.join

happens-before

acquire-release语义

volatile
java 可见性(约束)，下一个读一定看见上一次写。
C++ 不要排序，驱动IO，内容无法推测。
相似点都是加入内存屏障（memory barrier)，实现缓存flush和缓存失效。
volatile插入内存屏障表，根据机器架构以及前后关系会删除多余的内存屏障。

final
final值初始化以后在不同线程不应改看到不一样的值。
规则：

• 构造函数final赋值 < 对象赋值给引用之间 插入storestore
• 对象赋值 < 对象.final读 插入loadload

仅仅在某些乱序处理器需要特殊处理。

死锁
死锁产生的四个条件：

• 资源互斥
• 保持请求 保有资源再去请求资源
• 不剥夺 资源占有即使超时也不能剥夺
• 循环等待条件

避免死锁办法：

• 获取不同资源锁的顺序一致（都先lock A，再lock B），破坏循环等待条件
• 超时锁，失败释放资源再重试（复杂情况）
• 合并锁，粒度变大，但是太粗，性能差，太细，overhead变大，代码复杂

避免死锁C++

• lock可以锁多个锁，保证顺序，lock_guard(adopt_lock)保证锁的释放
• 如果临界区有用户代码，一般使用锁的超时版本
• hierarchical_mutex（不在标准库中），保证同层级（指调用层级）只能拥有锁一次，并且高级可以再锁低级

诊断死锁

• 通过Jstack或者Jconsole找出JVM中线程的monitor是否存在环
• java中monitor是带有owner信息的，因此很容易通过当前获取的monitor，找出是否存在环
• C++ 也可以通过gdb打印出mutex结构(包含__owner线程字段)，但是c++线程中并不保存当前pending的mutex信息，需要人工去看栈信息