多線程的那點事兒（之資料互斥）

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    在多線程存在的環境中，除了堆棧中的臨時資料之外，所有的資料都是共用的。如果我們需要線程之間正確地運行，那麼務必需要保證公用資料的執行和計算是正確的。簡單一點說，就是保證資料在執行的時候必須是互斥的。否則，如果兩個或者多個線程在同一時刻對資料進行了操作，那麼後果是不可想象的。

    也許有的朋友會說，不光資料需要保護，代碼也需要保護。提出這個觀點的朋友只看到了資料訪問互斥的表象。在程式的Runspace裡面，什麼最重要的呢？代碼嗎？當然不是。代碼只是為了資料的訪問存在的。資料才是我們一切工作的出發點和落腳點。

    那麼，有什麼辦法可以保證在某一時刻只有一個線程對資料進行操作呢？四個基本方法：

    （1）關中斷

    （2）數學互斥方法

    （3）作業系統提供的互斥方法

    （4）cpu原子操作

    為了讓大家可以對這四種方法有詳細的認識，我們可以進行詳細的介紹。

  

    （1）關中斷

    要讓資料在某一時刻只被一個線程訪問，方法之一就是停止線程調度就可以了。那麼怎樣停止線程調度呢？那麼關掉時鐘中斷就可以了啊。在X86裡面的確存在這樣的兩個指令，

#include <stdio.h>int main(){__asm{clisti}return 1;}

    其中cli是關中斷，sti是開中斷。這段代碼沒有什麼問題，可以編過，當然也可以產生執行檔案。但是在執行的時候會出現一個異常警示：Unhandled exception in test.exe: 0xC0000096:  Privileged Instruction。警示已經說的很清楚了，這是一個特權指令。只有系統或者核心本身才可以使用這個指令。

    不過，大家也可以想象一下。因為平常我們編寫的程式都是應用層級的程式，要是每個程式都是用這些代碼，那不亂了套了。比如說，你不小心安裝一個低品質的軟體，說不定什麼時候把你的中斷關了，這樣你的網路就斷了，你的輸入就沒有回應了，你的音樂什麼都沒有了，這樣的環境你受的了嗎？應用程式層的軟體是千差萬別的，軟體的水平也是參差不齊的，所以系統不可能相信任何一個私人軟體，它相信的只是它自己。

 

    （2）數學方法

    假設有兩個線程（a、b）正要對一個共用資料進行訪問，那麼怎麼做到他們之間的互斥的呢？其實我們可以這麼做，

unsigned int flag[2] = {0};unsigned int turn = 0;void process(unsigned int index){flag[index] = 1;turn =  index;while(flag[1 - index] && (turn ==  index));do_something();flag[index] = 0;}

    其實，學過作業系統的朋友都知道，上面的演算法其實就是Peterson演算法，可惜它只能用於兩個線程的資料互斥。當然，這個演算法還可以推廣到更多線程之間的互斥，那就是bakery演算法。但是數學演算法有兩個缺點：

    a）佔有空間多，兩個線程就要flag佔兩個單位空間，那麼n個線程就要n個flag空間，

    b）代碼編寫複雜，考慮的情況比較複雜

 

    （3）系統提供的互斥演算法

    系統提供的互斥演算法其實是我們平時開發中用的最多的互斥工具。就拿windows來說，關於互斥的工具就有臨界區、互斥量、訊號量等等。這類演算法有一個特點，那就是都是依據系統提高的互斥資源，那麼系統又是怎麼完成這些功能的呢？其實也不難。

    系統加鎖過程，

void Lock(HANDLE hLock){__asm {cli};while(1){if(/* 鎖可用*/){/* 設定標誌，表明當前鎖已被佔用 */__asm {sti};return;}__asm{sti};schedule();__asm{cli};}}

    系統解鎖過程，

void UnLock(HANDLE hLock){__asm {cli};/* 設定標誌， 當前鎖可用 */__asm{sti};}

    上面其實討論的就是一種最簡單的系統鎖情況。中間沒有涉及到就緒線程的壓入和彈出過程，沒有涉及到資源個數的問題，所以不是很複雜。朋友們仔細看看，應該都可以明白代碼錶達的是什麼意思。

 

    （4）CPU的原子操作
    因為在多線程操作當中，有很大一部分是比較、自增、自減等簡單操作。因為需要互斥的代碼很少，所以使用互斥量、訊號量並不合算。因此，CPU廠商為了開發的方便，把一些常用的指令設計成了原子指令，在windows上面也被稱為原子鎖，常用的原子操作函數有

InterLockedAddInterLockedExchangeInterLockedCompareExchangeInterLockedIncrementInterLockedDecrementInterLockedAndInterLockedOr