详谈内存管理技术线程模型

Posted 2020-09-03

　　一、为什么需要线程模型？

　　记得几年前，自己写高精度算法时，因为需要一个线程安全的后台（用来保存一些信息），便手动写了一个线程本地存储（TLS）（虽然，后来因为改了计算模型，弃用了）；再后来，因为内存池的需要，亦手动再写了一个线程本地存储（TLS）；很好，这样一来同一个库里，竟然有两套相同的TLS；于是，意识到了什么地方不对。

　　不只是代码重复的问题（其实重复的不多）；更重要的是，TLS应该是线程模型本身，来提供的功能；但，很可惜，C++并没有这样的东西（线程模型）。（PS：我无视了系统提供的TLS...）

　　说了这么多；只想说一点：为了TLS，为了性能！　　当然，统一的线程模型，会有一个更大的好处：统一且简洁的多线程接口。

 

　　二、任务模型

　　和Java类似，线程模型本身派生与任务模型（我的最初版本并不是）；这样有一个好处：将实例化的线程，当作任务来使用（即：并不通过自身所持有的线程，来执行任务）。在一些情形下，会有这样的需求。

　　作为最根本的接口，需要足够的简单：

class ITask :public Interface{
public:
    virtual void run() = 0;
public:
    virtual void interrupted(){}
public:
    virtual tick_t getWaitingTime()const{
        return 0;
    }
};

　　最重要、也最直白的便是 run() 这个接口函数；其便是我们将要执行的任务本身（所以无需多言）。值得一提的是：interrupted() 其是一个回调函数，用来通知该任务，执行过程中被意外中断（如抛出异常）。至于 getWaitingTime() 是为线程池准备的，如果你的线程池支持延时执行。

 

　　三、线程模型

　　首先，要明白两点：什么是线程？ 它用来做什么？？

　　在面向对象里，线程（类）即能够开启另外一个线程（相对进程）；而其目的无外乎，用来执行代码。所以，其包含有两套逻辑：开启新线程、被执行的任务接口。所以，便如下：

class Thread :public ITask{
protected:
    void execute();
};

　　其相对于 ITask，只需要提供开启新线程的接口：execute。调用这个函数，便让新线程开始执行 run 所定义的任务。

　　当然，还远不止如此；我们可以提供更多的控制接口：suspend、resume、interrupt（用来中断线程），以及查询接口：isStarted、threadID。但，有一个接口，绝不能够被遗忘：

class Thread :public ITask{
protected:
    void execute();
public:
    void wait();// here~
};

　　一旦线程开始执行；其最上层（Thread的子类）必须等待，该线程停止运行后，才能够开始析构！！而提供这样等待的便是：wait。（有GC的语言，没有这个问题）

 

　　四、线程本地存储

　　TLS，在哪里？？对，我们依旧没有看到其丝毫的身影。其实，就在 execute 的背后——其开启新线程的同时，会注册该新线程，以创建一个新的线程环境（TLS）；同样，在该线程停止时，将取消注册，并删除该环境。

　　这时，我们需要一个全局的线程运行时环境，用来管理所有线程，并存储相应的TLS（或保存其索引）。

　　当然，有一个问题值得提出：TLS放在哪里？ 是全局运行时环境，还是线程本身？（操作系统，一般通过线程自身的调用栈，来存放TLS）

　　如果，我们真有一个统一的线程模型，二者都可以选择。可惜，我们不可能有！主线程，不可能被我们的任何模型所约束（整个程序的第一行代码执行前，主线程便存在了）。当然，我们可以回避这个问题，通过完全不使用主线程（即：我们的任何逻辑，都在非主线程里执行）；而且需要相当的小心，比如静态初始化。

　　所以，唯一的选择就是，放在全局的运行时环境。这时，我们所见到的大概这样：

void Thread::execute()
{
    GetServiceAs<ThreadService>()->login();
    ...
}

　　所有的一切，都存放在 ThreadService 里；那么，如何获得TLS，自然也是使用：

...
GetServiceAs<ThreadService>()->getLocalAs<XXType>();
...

　　需要注意的一点是，我们并没有显示地使用线程ID，来索引；而是在接口内部，通过系统API：GetCurrentThreadId 来获取当前线程ID。

 

　　五、其他

　　很多细节问题，我并没有提及，如：interrupted()，如何使用？

　　是的，我所有的文章里，都没有“细节”二字；原因有二：并非数十行代码就能够明了、我的库并没有开源。但，相应的，所有的设计过程及细节，都已呈现给各位；只要你不笨，并有一些兴趣和耐心，便不难实现（甚至比我所讲的更好）。

　　嗯，这次的内容，足够的少；大概是，“累”了，写了一些后，并没有任何同类的人，来进行期待中的交流（主要是期待不同意见）；但，没有。所以，我将要动笔的概率，大概也将越来越低......

　　至此。