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  • 多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突,为了解决线程冲突,引入原子操作。所谓原子操作,是指不会被线程调度机制打断的操作,操作一旦开始,就得执行到结束为止。原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作...

                     C++拾遗--多线程:原子操作解决线程冲突

    前言

        在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突,为了解决线程冲突,引入原子操作。

    正文

    1.线程冲突

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <process.h>
    #include <Windows.h>
    int g_count = 0;
    void count(void *p)
    {
    	Sleep(100);    //do some work
    	//每个线程把g_count加1共10次
    	for (int i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		g_count++;
    	}
    	Sleep(100);   //do some work
    }
    int main(void)
    {
    	printf("******多线程访问全局变量演示***by David***\n");
    	//共创建10个线程
    	HANDLE handles[10];
    	for (int i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		for (int j = 0; j < 10; j++)
    		{
    			handles[j] = _beginthread(count, 0, NULL);
    		}
    		WaitForMultipleObjects(10, handles, 1, INFINITE);
    		printf("%d time g_count = %d\n", i, g_count);
    		//重置
    		g_count = 0;
    	}
    	getchar();
    	return 0;
    }
    运行


    理论上,g_count的最后结果应该是100,可事实却并非如此,不但结果不一定是100,而且每次的结果还很可能不一样。原因是,多个线程对同一个全局变量进行访问时,特别是在进行修改操作,会引起冲突。详细解释:

    设置断点,查看反汇编


    g_count++;被分为三步操作:

    1.把g_count的内容从内存中移动到寄存器eax

    2.把寄存器eax加1

    3.把寄存器eax中的内容移动到内存g_count的地址

    三步以后,g_count的值被顺利加1。

    cpu执行的时间片内包含多条指令,每条指令执行期间不会被打断,但如果一个操作包含多条指令,则很有可能该操作会被打断。g_count++;就是这样的操作。

    g_count被顺利加到100的前提:每次加1,都建立在上一次加1顺利完成的基础上。也就是说,如果上一次加1被打断,这一次的加1就得不到上一次加1的累积效果。自然,最后的结果,多半会小于100。


    2.原子操作

    所谓原子操作,是指不会被线程调度机制打断的操作,操作一旦开始,就得执行到结束为止。原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序是不可以被打乱,或者切割掉只执行部分。原子操作一般靠底层汇编实现。

    在头文件winnt.h中提供了很多的原子操作函数,它们使用自加锁的方式,保证操作的原子性,如自增操作

    InterlockedIncrement,

    函数原型

    LONG CDECL_NON_WVMPURE InterlockedIncrement(
    _Inout_ _Interlocked_operand_ LONG volatile *Addend
    );

    其它相关操作,请自行查看头文件。

    使用该函数,我们修改线程函数count。修改很简单,只需把g_count++改为InterlockedIncrement((LONG)&g_count);即可。

    运行如下


    显然,在原子操作下,我们肯定是可以得到正确结果的。




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    展开全文
  • 转载自C++拾遗–多线程:原子操作解决线程冲突 前言 在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突 1 线程冲突 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <process.h> #include <...

    转载自C++拾遗–多线程:原子操作解决线程冲突

    前言

    • 在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突

    1 线程冲突

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <process.h>
    #include <Windows.h>
    int g_count = 0;
    void count(void *p)
    {
    	Sleep(100);    //do some work
    	//每个线程把g_count加1共10次
    	for (int i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		g_count++;
    	}
    	Sleep(100);   //do some work
    }
    int main(void)
    {
    	printf("******多线程访问全局变量演示***by David***\n");
    	//共创建10个线程
    	HANDLE handles[10];
    	for (int i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		for (int j = 0; j < 10; j++)
    		{
    			handles[j] = _beginthread(count, 0, NULL);
    		}
    		WaitForMultipleObjects(10, handles, 1, INFINITE);
    		printf("%d time g_count = %d\n", i, g_count);
    		//重置
    		g_count = 0;
    	}
    	getchar();
    	return 0;
    }
    

    运行结果:
    在这里插入图片描述
    理论上,g_count的最后结果应该是100,可事实却并非如此,不但结果不一定是100,而且每次的结果还很可能不一样。
    原因是,多个线程对同一个全局变量进行访问时,特别是在进行修改操作,会引起冲突。

    设置断点,查看反汇编
    在这里插入图片描述
    g_count++;被分为三步操作:

    1. 把g_count的内容从内存中移动到寄存器eax
    2. 把寄存器eax加1
    3. 把寄存器eax中的内容移动到内存g_count的地址

    三步以后,g_count的值被顺利加1。

    分析:

    • 一条最简单加减法语句都有可能会被翻译成几条指令执行;为了避免语句在CPU这一层级上的指令交叉带来的行为不可知,在多线程程序设计时我们必须通过一些方式来进行规范
    • CPU执行的时间片内包含多条指令,每条指令执行期间不会被打断
    • 但如果 一个操作包含多条指令,则 *很有可能该操作会被打断 *。g_count++ 就是这样的操作。

    g_count被顺利加到100的前提:每次加1,都建立在上一次加1顺利完成的基础上。也就是说,如果上一次加1被打断,这一次的加1就得不到上一次加1的累积效果。自然,最后的结果,多半会小于100。

    2. 原子操作

    • 为了解决线程冲突,引入原子操作。

    • 所谓原子操作,是指 不会被线程调度机制打断的操作,操作一旦开始,就得执行到结束为止。

    • 原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序是不可以被打乱,或者切割掉只执行部分。

    • 原子操作一般靠 底层汇编 实现。

    • 在头文件 winnt.h 中提供了很多的原子操作函数,它们使用 自加锁 的方式,保证操作的原子性,如 自增操作InterlockedIncrement

    解决冲突的最常见做法是:

    • 使用互斥锁
    • 其大概的模型就是篮球模式:几个人一起抢球,谁抢到了谁玩,玩完了再把球丢出来重新抢;
    • 互斥锁是操作系统这一层级 的,最终 映射到CPU上也是一堆指令,是指令就必然会带来额外的开销.

    既然CPU指令是多线程不可再分的最小单元,那我们如果有办法将代码语句和指令对应起来,不就不需要引入互斥锁从而提高性能了吗? 而这个对应关系就是所谓的原子操作.

    函数原型

    LONG CDECL_NON_WVMPURE InterlockedIncrement(	_Inout_ _Interlocked_operand_ LONG volatile *Addend);
    

    其它相关操作,请自行查看头文件。

    使用该函数,我们修改线程函数count。
    修改很简单,只需把 g_count++ 改为 InterlockedIncrement((LONG)&g_count) 即可

    运行如下:
    在这里插入图片描述
    显然,在原子操作下,我们肯定是可以得到正确结果的。

    C++11中的原子操作

    #include <atomic>

    std::atomic_int myInt;
    

    在C++11的atomic中有两种做法:

    • 模拟, 比如说对于一个atomic类型,我们可以给他附带一个mutex,操作时lock/unlock一下,这种在多线程下进行访问,必然会导致线程阻塞;
    • 有相应的CPU层级的对应,这就是一个标准的lock-free类型. 可以通过is_lock_free函数,判断一个atomic是否是lock-free类型.

    自旋锁

    使用原子操作模拟互斥锁的行为就是自旋锁
    互斥锁状态是由操作系统控制的,自旋锁的状态是程序员自己控制的

    • 线程反复检查锁变量是否可用。
    • 由于线程在这一过程中保持执行,因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁,线程会一直保持该锁,直至显式释放自旋锁。
    展开全文
  •  在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突,为了解决线程冲突,引入原子操作。 正文 1.线程冲突 #include #include #include #include int g_count = 0; void count(void *p) { Sleep(100); //...

        在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突,为了解决线程冲突,引入原子操作。

    正文

    1.线程冲突

    #include <stdio.h>  
    #include <stdlib.h>  
    #include <process.h>  
    #include <Windows.h>  
    int g_count = 0;  
    void count(void *p)  
    {  
        Sleep(100);    //do some work  
        //每个线程把g_count加1共10次  
        for (int i = 0; i < 10; i++)  
        {  
            g_count++;  
        }  
        Sleep(100);   //do some work  
    }  
    int main(void)  
    {  
        printf("******多线程访问全局变量演示***by David***\n");  
        //共创建10个线程  
        HANDLE handles[10];  
        for (int i = 0; i < 10; i++)  
        {  
            for (int j = 0; j < 10; j++)  
            {  
                handles[j] = _beginthread(count, 0, NULL);  
            }  
            WaitForMultipleObjects(10, handles, 1, INFINITE);  
            printf("%d time g_count = %d\n", i, g_count);  
            //重置  
            g_count = 0;  
        }  
        getchar();  
        return 0;  
    运行


    理论上,g_count的最后结果应该是100,可事实却并非如此,不但结果不一定是100,而且每次的结果还很可能不一样。原因是,多个线程对同一个全局变量进行访问时,特别是在进行修改操作,会引起冲突。详细解释:

    设置断点,查看反汇编


    g_count++;被分为三步操作:

    1.把g_count的内容从内存中移动到寄存器eax

    2.把寄存器eax加1

    3.把寄存器eax中的内容移动到内存g_count的地址

    三步以后,g_count的值被顺利加1。

    cpu执行的时间片内包含多条指令,每条指令执行期间不会被打断,但如果一个操作包含多条指令,则很有可能该操作会被打断。g_count++;就是这样的操作。

    g_count被顺利加到100的前提:每次加1,都建立在上一次加1顺利完成的基础上。也就是说,如果上一次加1被打断,这一次的加1就得不到上一次加1的累积效果。自然,最后的结果,多半会小于100。


    2.原子操作

    所谓原子操作,是指不会被线程调度机制打断的操作,操作一旦开始,就得执行到结束为止。原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序是不可以被打乱,或者切割掉只执行部分。原子操作一般靠底层汇编实现。

    在头文件winnt.h中提供了很多的原子操作函数,它们使用自加锁的方式,保证操作的原子性,如自增操作

    InterlockedIncrement,

    函数原型

    LONG CDECL_NON_WVMPURE InterlockedIncrement(
    _Inout_ _Interlocked_operand_ LONG volatile *Addend
    );

    其它相关操作,请自行查看头文件。

    使用该函数,我们修改线程函数count。修改很简单,只需把g_count++改为InterlockedIncrement((LPLONG)&g_count);即可。

    运行如下


    显然,在原子操作下,我们肯定是可以得到正确结果的。

    原文地址:http://blog.csdn.net/zhangxiangdavaid/article/details/43956033

    展开全文
  • Java 多线程同步的五种方法
    Java 多线程同步的五种方法
    


    一、引言


    前几天面试,被大师虐残了,好多基础知识必须得重新拿起来啊。闲话不多说,进入正题。


    二、为什么要线程同步


    因为当我们有多个线程要同时访问一个变量或对象时,如果这些线程中既有读又有写操作时,就会导致变量值或对象的状态出现混乱,从而导致程序异常。举个例子,如果一个银行账户同时被两个线程操作,一个取100块,一个存钱100块。假设账户原本有0块,如果取钱线程和存钱线程同时发生,会出现什么结果呢?取钱不成功,账户余额是100.取钱成功了,账户余额是0.那到底是哪个呢?很难说清楚。因此多线程同步就是要解决这个问题。


    三、不同步时的代码


    Bank.java

    package threadTest;  
    
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
    
        private int count =0;//账户余额  
    
    
        //存钱  
        public  void addMoney(int money){  
            count +=money;  
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进:"+money);  
        }  
    
    
        //取钱  
        public  void subMoney(int money){  
            if(count-money < 0){  
                System.out.println("余额不足");  
                return;  
            }  
            count -=money;  
            System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出:"+money);  
        }  
    
    
        //查询  
        public void lookMoney(){  
            System.out.println("账户余额:"+count);  
        }  
    }
    SyncThreadTest.java
    
    
    package threadTest;  
    
    
    public class SyncThreadTest {  
    
    
        public static void main(String args[]){  
            final Bank bank=new Bank();  
    
    
            Thread tadd=new Thread(new Runnable() {  
    
    
                @Override  
                public void run() {  
                    // TODO Auto-generated method stub  
                    while(true){  
                        try {  
                            Thread.sleep(1000);  
                        } catch (InterruptedException e) {  
                            // TODO Auto-generated catch block  
                            e.printStackTrace();  
                        }  
                        bank.addMoney(100);  
                        bank.lookMoney();  
                        System.out.println("\n");  
    
    
                    }  
                }  
            });  
    
    
            Thread tsub = new Thread(new Runnable() {  
    
    
                @Override  
                public void run() {  
                    // TODO Auto-generated method stub  
                    while(true){  
                        bank.subMoney(100);  
                        bank.lookMoney();  
                        System.out.println("\n");  
                        try {  
                            Thread.sleep(1000);  
                        } catch (InterruptedException e) {  
                            // TODO Auto-generated catch block  
                            e.printStackTrace();  
                        }     
                    }  
                }  
            });  
            tsub.start();  
    
    
            tadd.start();  
        }  
    
    
    }



    代码很简单,我就不解释了,看看运行结果怎样呢?截取了其中的一部分,是不是很乱,有写看不懂。


    余额不足  
    账户余额:0  


    余额不足  
    账户余额:100  


    1441790503354存进:100  
    账户余额:100  


    1441790504354存进:100  
    账户余额:100  


    1441790504354取出:100  
    账户余额:100  


    1441790505355存进:100  
    账户余额:100  


    1441790505355取出:100  
    账户余额:100
    四、使用同步时的代码


    (1)同步方法:


    即有synchronized关键字修饰的方法。 由于java的每个对象都有一个内置锁,当用此关键字修饰方法时,内置锁会保护整个方法。在调用该方法前,需要获得内置锁,否则就处于阻塞状态。


    修改后的Bank.java

    package threadTest;  
    
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
    
        private int count =0;//账户余额  
    
    
        //存钱  
        public  synchronized void addMoney(int money){  
            count +=money;  
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进:"+money);  
        }  
    
    
        //取钱  
        public  synchronized void subMoney(int money){  
            if(count-money < 0){  
                System.out.println("余额不足");  
                return;  
            }  
            count -=money;  
            System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出:"+money);  
        }  
    
    
        //查询  
        public void lookMoney(){  
            System.out.println("账户余额:"+count);  
        }  
    }



    再看看运行结果:


    余额不足  
    账户余额:0  


    余额不足  
    账户余额:0  


    1441790837380存进:100  
    账户余额:100  


    1441790838380取出:100  
    账户余额:0  
    1441790838380存进:100  
    账户余额:100  


    1441790839381取出:100  
    账户余额:0
    瞬间感觉可以理解了吧。


    注: synchronized关键字也可以修饰静态方法,此时如果调用该静态方法,将会锁住整个类


    (2)同步代码块


    即有synchronized关键字修饰的语句块。被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁,从而实现同步


    Bank.java代码如下:

    package threadTest;  
    
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
    
        private int count =0;//账户余额  
    
    
        //存钱  
        public   void addMoney(int money){  
    
    
            synchronized (this) {  
                count +=money;  
            }  
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进:"+money);  
        }  
    
    
        //取钱  
        public   void subMoney(int money){  
    
    
            synchronized (this) {  
                if(count-money < 0){  
                    System.out.println("余额不足");  
                    return;  
                }  
                count -=money;  
            }  
            System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出:"+money);  
        }  
    
    
        //查询  
        public void lookMoney(){  
            System.out.println("账户余额:"+count);  
        }  
    }



    运行结果如下:


    余额不足  
    账户余额:0  


    1441791806699存进:100  
    账户余额:100  


    1441791806700取出:100  
    账户余额:0  


    1441791807699存进:100  
    账户余额:100
    效果和方法一差不多。


    注:同步是一种高开销的操作,因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法,使用synchronized代码块同步关键代码即可。


    (3)使用特殊域变量(Volatile)实现线程同步


    a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制
    b.使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新
    c.因此每次使用该域就要重新计算,而不是使用寄存器中的值
    d.volatile不会提供任何原子操作,它也不能用来修饰final类型的变量


    Bank.java代码如下:
    package threadTest;  
    
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
    
        private volatile int count = 0;// 账户余额  
    
    
        // 存钱  
        public void addMoney(int money) {  
    
    
            count += money;  
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进:" + money);  
        }  
    
    
        // 取钱  
        public void subMoney(int money) {  
    
    
            if (count - money < 0) {  
                System.out.println("余额不足");  
                return;  
            }  
            count -= money;  
            System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出:" + money);  
        }  
    
    
        // 查询  
        public void lookMoney() {  
            System.out.println("账户余额:" + count);  
        }  
    }

    运行效果怎样呢?


    余额不足  
    账户余额:0  


    余额不足  
    账户余额:100  


    1441792010959存进:100  
    账户余额:100  


    1441792011960取出:100  
    账户余额:0  


    1441792011961存进:100  
    账户余额:100
    是不是又看不懂了,又乱了。这是为什么呢?就是因为volatile不能保证原子操作导致的,因此volatile不能代替synchronized。此外volatile会组织编译器对代码优化,因此能不使用它就不适用它吧。它的原理是每次要线程要访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取,而不是存缓存当中读取,因此每个线程访问到的变量值都是一样的。这样就保证了同步。


    (4)使用重入锁实现线程同步


    在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁, 它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义,并且扩展了其能力。
    ReenreantLock类的常用方法有:
    ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例
    lock() : 获得锁
    unlock() : 释放锁
    注:ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法,但由于能大幅度降低程序运行效率,不推荐使用
    Bank.java代码修改如下:


    package threadTest;  
    
    
    import java.util.concurrent.locks.Lock;  
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
    
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
    
        private  int count = 0;// 账户余额  
    
    
        //需要声明这个锁  
        private Lock lock = new ReentrantLock();  
    
    
        // 存钱  
        public void addMoney(int money) {  
            lock.lock();//上锁  
            try{  
            count += money;  
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进:" + money);  
    
    
            }finally{  
                lock.unlock();//解锁  
            }  
        }  
    
    
        // 取钱  
        public void subMoney(int money) {  
            lock.lock();  
            try{  
    
    
            if (count - money < 0) {  
                System.out.println("余额不足");  
                return;  
            }  
            count -= money;  
            System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出:" + money);  
            }finally{  
                lock.unlock();  
            }  
        }  
    
    
        // 查询  
        public void lookMoney() {  
            System.out.println("账户余额:" + count);  
        }  
    }


    运行效果怎么样呢?


    余额不足  
    账户余额:0  


    余额不足  
    账户余额:0  


    1441792891934存进:100  
    账户余额:100  


    1441792892935存进:100  
    账户余额:200  


    1441792892954取出:100  
    账户余额:100
    效果和前两种方法差不多。


    如果synchronized关键字能满足用户的需求,就用synchronized,因为它能简化代码 。如果需要更高级的功能,就用ReentrantLock类,此时要注意及时释放锁,否则会出现死锁,通常在finally代码释放锁


    (5)使用局部变量实现线程同步


    Bank.java代码如下:

    package threadTest;  
    
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
    
        private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){  
    
    
            @Override  
            protected Integer initialValue() {  
                // TODO Auto-generated method stub  
                return 0;  
            }  
    
    
        };  
    
    
        // 存钱  
        public void addMoney(int money) {  
            count.set(count.get()+money);  
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进:" + money);  
    
    
        }  
    
    
        // 取钱  
        public void subMoney(int money) {  
            if (count.get() - money < 0) {  
                System.out.println("余额不足");  
                return;  
            }  
            count.set(count.get()- money);  
            System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出:" + money);  
        }  
    
    
        // 查询  
        public void lookMoney() {  
            System.out.println("账户余额:" + count.get());  
        }  
    }



    运行效果:


    余额不足  
    账户余额:0  


    余额不足  
    账户余额:0  


    1441794247939存进:100  
    账户余额:100  


    余额不足  
    1441794248940存进:100  
    账户余额:0  


    账户余额:200  


    余额不足  
    账户余额:0  


    1441794249941存进:100  
    账户余额:300
    看了运行效果,一开始一头雾水,怎么只让存,不让取啊?看看ThreadLocal的原理:


    如果使用ThreadLocal管理变量,则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本,副本之间相互独立,这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本,而不会对其他线程产生影响。现在明白了吧,原来每个线程运行的都是一个副本,也就是说存钱和取钱是两个账户,知识名字相同而已。所以就会发生上面的效果。


    ThreadLocal与同步机制


    a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题
    b.前者采用以”空间换时间”的方法,后者采用以”时间换空间”的方式


    现在都明白了吧。各有优劣,各有适用场景。手工,吃饭去了。


    原文:Java 多线程同步的五种方法

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多线程冲突的寄存器