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  • 多线程中两必要的开销线程创建、上下文切换
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    2017-10-09 22:25:39
    多线程中两个必要的开销:线程的创建、上下文切换
    
    上下文切换:
    
    	概念:
    		当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。在切换之前,上一个任务的状态会被保存下来,下次切换回这个任务时,可以再加载这个任务的状态,任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。
    
    	说明:
    		1)时间片是CPU分配给各个线程的时间,时间片一般是几十毫秒。
    		2)CPU通过给每个线程分配CPU时间片,并且不停地切换线程来实现多线程。因为时间片非常短,所以感觉多个线程是在同时执行。
    
    
    	减少上下文切换的方法:
    	
    		1)无锁并发编程:
    			多线程竞争锁时,会引起上下文切换,所以在使用多线程处理数据时,可以采用一些策略来避免使用锁。
    			常见的策略:将数据按照id的哈希值进行切分,不同的线程处理不同段的数据。
    
    		2)锁分离技术:
    			举例:ConcurrentHashMap
    			
    		3)CAS算法
    			java的Atomic包使用CAS算法来更新数据,而不需要加锁。
    
    		4)使用最少的线程
    			避免创建不需要的线程,比如任务很少,但是创建了很多线程来处理,这样会造成大量线程都处于等待状态。
    			
    	
    	举例:
    
    		通过减少大量WAITING的线程,来减少上下文切换次数
    
    			# 转储堆栈信息
    			jstack PID > dumpfile
    
    			# 统计所有线程的状态
    			grep java.lang.Thread.State dumpfile | awk '{print $2" "$3" "$4" "$5}' | sort | uniq -c
    
    			如果存在大量waiting的线程,则查看dumpfile文件进行分析:
    				1)如果是服务器的工作线程大量等待,则修改服务器配置文件中线程池的配置信息,然后重启查看效果。
    		
    		
    		
    		
    		
    

     

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  • 下面的代码中有三填空部分,分别是:1)主线程在唤醒子线程...// 线程一创建次使用 #include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex,

    使用场景举例:一百万次循环,每次循环中需要对两个一千万维度的向量进行内积运算。注意,可能是由于某种原因(比如是迭代算法),该场景必须顺序执行一百万次循环。在这种场景下,希望使用多线程进行计算加速,具体就是对每次一循环中的计算进行多线程计算。具体地,主线程将每一次循环中的两个一千万维度向量的内积运算切割为5个二百万维度的子向量分别交由5个子线程进行内积运算,得到五个子向量内积。然后主线程拿到5个子向量内积,对这5个值进行求和,结果即为原始的两个一千万维度向量的内积结果。然后进行下一轮循环…。

    下面的代码中有三个填空部分,分别是:1)主线程在唤醒子线程之前的准备工作的代码,2)子线程干活具体内容的代码,3)主线程在一轮循环中子线程全部结束后(只是一轮)后的处理工作的代码。

    // 线程一次创建,多次使用
    #include <iostream>           // std::cout
    #include <thread>             // std::thread
    #include <mutex>              // std::mutex, std::unique_lock
    #include <condition_variable> // std::condition_variable
    #include <chrono>
    #include <vector>
    using namespace std;
    
    const int numOfThreads = 4; // 子线程总数量
    std::mutex mtx[numOfThreads]; // 主线程唤醒子线程的锁
    std::mutex mtx_main[numOfThreads]; // 子线程唤醒主线程的锁
    std::condition_variable cv_main[numOfThreads];//子线程唤醒主线程的条件变量 
    std::condition_variable cv[numOfThreads];//主线程唤醒子线程的条件变量 
    bool ready[numOfThreads] = { false };// 主线程设置,子线程查看的标记
    bool ready_main[numOfThreads] = { false };// 子线程设置,主线程查看的标记
    volatile bool done = false;// 主线程设置,子线程查看的标记。具体用于表示主线程总体任务是否结束
    
    void print_id(int id) {
        while (1) {
            
            std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx[id]);// 用一个mutex锁创建一个 unique_lock
            if (done) break; // done的值由主线程设置,done=true 则结束子线程
            while (!ready[id]) cv[id].wait(lck);// 等待唤醒
            if (done) break; // 双重保险,否则可能发生死锁,暂不明原因。 done的值由主线程设置,done=true 则结束子线程    
            /*
            ... 这里写线程干活的代码
            */
            //std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));// 当前线程睡眠
            ready[id] = false;
            ready_main[id] = true;
            cv_main[id].notify_one();
        }
    }
    
    
    int main()
    {
        vector<thread> threads;
        for (int i = 0; i < numOfThreads; ++i)// 创建线程
            threads.push_back(thread(print_id, i));
        int n = 400; // 线程1次创建,重复使用 n 次
        int cnt = 0; // 计数器
        while (cnt < n) {
            /*
            ... 这里写唤醒子线程的准备工作的代码
            */
            for (int i = 0; i < numOfThreads; i++) {// 唤醒子线程
                ready[i] = true;
                cv[i].notify_one();
            }
            for (int i = 0; i < numOfThreads; i++) { //主线程通过阻塞等待本轮所有线程执行完毕
                std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx_main[i]);
                while (!ready_main[i]) cv_main[i].wait(lck);// 等待 第 i 个线程唤醒
            }
            /*
            ... 这里写一轮子线程全部执行完成后的处理工作
            */
            
            cnt++;
        }
        done = true;// 主线程任务完成
        for (int i = 0; i < numOfThreads; i++) {//双重保险,否则可能发生死锁,暂不明原因。 唤醒子线程
            ready[i] = true;
            cv[i].notify_one();
        }
    
        for (auto& th : threads) th.join(); // 等待所有线程结束
    
        cout << "everything done" << endl;
    
        return 0;
    }
    
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  • 关于资源,Java线程线程栈所占用的内存是在Java堆外的,所以是不受java程序控制的,只受系统资源限制,默认一个线程线程栈大小是1M(当让这个可以通过设置-Xss属性设置,但是要注意栈溢出问题),但是,如果每个...

    1-1. 关于时间,创建线程使用是直接向系统申请资源的,这里调用系统函数进行分配资源的话耗时不好说。 关于资源,Java线程的线程栈所占用的内存是在Java堆外的,所以是不受java程序控制的,只受系统资源限制,默认一个线程的线程栈大小是1M(当让这个可以通过设置-Xss属性设置,但是要注意栈溢出问题),但是,如果每个用户请求都新建线程的话,1024个用户光线程就占用了1个G的内存,如果系统比较大的话,一下子系统资源就不够用了,最后程序就崩溃了。

    PS:同样的道理在java程序中也不要随意开启新的线程,特别是高频业务尽量使用线程池,不然很容易导致内存不足,程序崩溃的问题。

    1-2. 对操作系统来说,创建一个线程的代价是十分昂贵的, 需要给它分配内存、列入调度,同时在线程切换的时候还要执行内存换页,CPU 的缓存被 清空,切换回来的时候还要重新从内存中读取信息,破坏了数据的局部性。

    参考文章:线程创建开销包括哪些?

    2-1.
    完成一项任务的时间为T :
    T1 创建线程的时间
    T2 在线程中执行任务的时间,包括线程间同步所需时间
    T3 线程销毁的时间
    显然T = T1+T2+T3。注意这是一个极度简化的假设。可以看出T1,T3是多线程本身的带来的开销,我们渴望减少T1,T3所用的时间,从而减少T的时间。但一些线程的使用者并没有注意到这一点,所以在程序中频繁的创建或销毁线程,这导致T1和T3在T中占有相当比例。显然这是突出了线程的弱点(T1,T3),而不是优点(并发性)。

    具体到数据,需要看你的系统要求。如果系统出现这样的情况就应该采用线程池!

    你应该都比较常听过线程池,连接池的名词。这次都是池化技术。
    为什么要将对象池化,因为这些对象是被经常使用的,比如线程,比如数据库连接;同时,频繁创建这些对象又是比较消耗资源(包括时间)的;还有个特点,这些对象虽然经常被使用但不是象一个循环一样一直在不间断运行,它是有间隔性的运行。
    于是在系统运行一开始就创建一定数量的这样的对象,比如100个线程和100个数据库连接,将它们统一管理(利用一个管理对象来控制,我们可以把这个对象叫作线程池,连接池,对象池等),一旦系统需要这些对象的支持时,就由这个管理对象(线程池,连接池)返回一个没有被利用(没有运行业务代码的)对象来执行所需的要求。
    这种技术就是池化。更多的可以看IBM的线程池教程。还有很多的开源项目都大量采用此类技术(来提高性能)

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  • 比如下面这两问题: 进程内部都有哪些数据? 为什么创建进程的成本很高? 这样的问题确实不好回答,除非你真正理解了进程和线程的原理,否则很容易掉入面试大坑。本讲,我将带你一起探究问题背后的原理,围绕...

    不知你在面试中是否遇到过这样的问题,题目很短,看似简单,但在回答时又感觉有点吃力?比如下面这两个问题:

    进程内部都有哪些数据?

    为什么创建进程的成本很高?

    这样的问题确实不好回答,除非你真正理解了进程和线程的原理,否则很容易掉入面试大坑。

    进程和线程
    进程(Process),顾名思义就是正在执行的应用程序,是软件的执行副本。而线程是轻量级的进程。进程是分配资源的基础单位。而线程很长一段时间被称作轻量级进程(Light Weighted Process),是程序执行的基本单位。

    在计算机刚刚诞生的年代,程序员拿着一个写好程序的闪存卡,插到机器里,然后电能推动芯片计算,芯片每次从闪存卡中读出一条指令,执行后接着读取下一条指令。闪存中的所有指令执行结束后,计算机就关机。一开始,这种单任务的模型,在那个时代叫作作业(Job),当时计算机的设计就是希望可以多处理作业。图形界面出现后,人们开始利用计算机进行办公、购物、聊天、打游戏等,因此一台机器正在执行的程序会被随时切来切去。于是人们想到,设计进程和线程来解决这个问题。

    每一种应用,比如游戏,执行后是一个进程。但是游戏内部需要图形渲染、需要网络、需要响应用户操作,这些行为不可以互相阻塞,必须同时进行,这样就设计成线程。

    资源分配问题
    设计进程和线程,操作系统需要思考分配资源。最重要的 3 种资源是:计算资源(CPU)、内存资源和文件资源。早期的 OS 设计中没有线程,3 种资源都分配给进程,多个进程通过分时技术交替执行,进程之间通过管道技术等进行通信。但是这样做的话,设计者们发现用户(程序员),一个应用往往需要开多个进程,因为应用总是有很多必须要并行做的事情。并行并不是说绝对的同时,而是说需要让这些事情看上去是同时进行的——比如图形渲染和响应用户输入。于是设计者们想到了,进程下面,需要一种程序的执行单位,仅仅被分配 CPU 资源,这就是线程。

    轻量级进程
    线程设计出来后,因为只被分配了计算资源(CPU),因此被称为轻量级进程。被分配的方式,就是由操作系统调度线程。操作系统创建一个进程后,进程的入口程序被分配到了一个主线程执行,这样看上去操作系统是在调度进程,其实是调度进程中的线程。这种被操作系统直接调度的线程,我们也称为内核级线程。另外,有的程序语言或者应用,用户(程序员)自己还实现了线程。相当于操作系统调度主线程,主线程的程序用算法实现子线程,这种情况我们称为用户级线程。Linux 的 PThread API 就是用户级线程,KThread API 则是内核级线程。

    分时和调度
    因为通常机器中 CPU 核心数量少(从几个到几十个)、进程&线程数量很多(从几十到几百甚至更多),你可以类比为发动机少,而机器多,因此进程们在操作系统中只能排着队一个个执行。每个进程在执行时都会获得操作系统分配的一个时间片段,如果超出这个时间,就会轮到下一个进程(线程)执行。再强调一下,现代操作系统都是直接调度线程,不会调度进程

    分配时间片段
    如下图所示,进程 1 需要 2 个时间片段,进程 2 只有 1 个时间片段,进程 3 需要 3 个时间片段。因此当进程 1 执行到一半时,会先挂起,然后进程 2 开始执行;进程 2 一次可以执行完,然后进程 3 开始执行,不过进程 3 一次执行不完,在执行了 1 个时间片段后,进程 1 开始执行;就这样如此周而复始。这个就是分时技术。

    下面这张图更加直观一些,进程 P1 先执行一个时间片段,然后进程 P2 开始执行一个时间片段, 然后进程 P3,然后进程 P4……

    注意,上面的两张图是以进程为单位演示,如果换成线程,操作系统依旧是这么处理。

    进程和线程的状态
    一个进程(线程)运行的过程,会经历以下 3 个状态:

    进程(线程)创建后,就开始排队,此时它会处在“就绪”(Ready)状态;当轮到该进程(线程)执行时,会变成“运行”(Running)状态;当一个进程(线程)将操作系统分配的时间片段用完后,会回到“就绪”(Ready)状态。我这里一直用进程(线程)是因为旧的操作系统调度进程,没有线程;现代操作系统调度线程。有时候一个进程(线程)会等待磁盘读取数据,或者等待打印机响应,此时进程自己会进入“阻塞”(Block)状态。因为这时计算机的响应不能马上给出来,而是需要等待磁盘、打印机处理完成后,通过中断通知 CPU,然后 CPU 再执行一小段中断控制程序,将控制权转给操作系统,操作系统再将原来阻塞的进程(线程)置为“就绪”(Ready)状态重新排队。而且,一旦一个进程(线程)进入阻塞状态,这个进程(线程)此时就没有事情做了,但又不能让它重新排队(因为需要等待中断),所以进程(线程)中需要增加一个“阻塞”(Block)状态。

    注意,因为一个处于“就绪”(Ready)的进程(线程)还在排队,所以进程(线程)内的程序无法执行,也就是不会触发读取磁盘数据的操作,这时,“就绪”(Ready)状态无法变成阻塞的状态,因此下图中没有从就绪到阻塞的箭头。而处于“阻塞”(Block)状态的进程(线程)如果收到磁盘读取完的数据,它又需要重新排队,所以它也不能直接回到“运行”(Running)状态,因此下图中没有从阻塞态到运行态的箭头。

    进程和线程的设计
    接下来我们思考几个核心的设计约束:

    进程和线程在内存中如何表示?需要哪些字段?

    进程代表的是一个个应用,需要彼此隔离,这个隔离方案如何设计?

    操作系统调度线程,线程间不断切换,这种情况如何实现?

    需要支持多 CPU 核心的环境,针对这种情况如何设计?

    接下来我们来讨论下这4个问题。

    进程和线程的表示
    可以这样设计,在内存中设计两张表,一张是进程表、一张是线程表。进程表记录进程在内存中的存放位置、PID 是多少、当前是什么状态、内存分配了多大、属于哪个用户等,这就有了进程表。如果没有这张表,进程就会丢失,操作系统不知道自己有哪些进程。这张表可以考虑直接放到内核中。细分的话,进程表需要这几类信息。

    描述信息:这部分是描述进程的唯一识别号,也就是 PID,包括进程的名称、所属的用户等。

    资源信息:这部分用于记录进程拥有的资源,比如进程和虚拟内存如何映射、拥有哪些文件、在使用哪些 I/O 设备等,当然 I/O 设备也是文件。

    内存布局:操作系统也约定了进程如何使用内存。如下图所示,描述了一个进程大致内存分成几个区域,以及每个区域用来做什么。 每个区域我们叫作一个段。

    操作系统还需要一张表来管理线程,这就是线程表。线程也需要 ID, 可以叫作 ThreadID。然后线程需要记录自己的执行状态(阻塞、运行、就绪)、优先级、程序计数器以及所有寄存器的值等等。线程需要记录程序计数器和寄存器的值,是因为多个线程需要共用一个 CPU,线程经常会来回切换,因此需要在内存中保存寄存器和 PC 指针的值。用户级线程和内核级线程存在映射关系,因此可以考虑在内核中维护一张内核级线程的表,包括上面说的字段。如果考虑到这种映射关系,比如 n-m 的多对多映射,可以将线程信息还是存在进程中,每次执行的时候才使用内核级线程。相当于内核中有个线程池,等待用户空间去使用。每次用户级线程把程序计数器等传递过去,执行结束后,内核线程不销毁,等待下一个任务。这里其实有很多灵活的实现,总体来说,创建进程开销大、成本高;创建线程开销小,成本低。

    隔离方案
    操作系统中运行了大量进程,为了不让它们互相干扰,可以考虑为它们分配彼此完全隔离的内存区域,即便进程内部程序读取了相同地址,而实际的物理地址也不会相同。这就好比 A 小区的 10 号楼 808 和 B 小区的 10 号楼 808 不是一套房子,这种方法叫作地址空间。所以在正常情况下进程 A 无法访问进程 B 的内存,除非进程 A 找到了某个操作系统的漏洞,恶意操作了进程 B 的内存。对于一个进程的多个线程来说,可以考虑共享进程分配到的内存资源,这样线程就只需要被分配执行资源。

    进程(线程)切换
    进程(线程)在操作系统中是不断切换的,现代操作系统中只有线程的切换。 每次切换需要先保存当前寄存器的值的内存,注意 PC 指针也是一种寄存器。当恢复执行的时候,就需要从内存中读出所有的寄存器,恢复之前的状态,然后执行。

    上面讲到的内容,我们可以概括为以下 5 个步骤:

    当操作系统发现一个进程(线程)需要被切换的时候,直接控制 PC 指针跳转是非常危险的事情,所以操作系统需要发送一个“中断”信号给 CPU,停下正在执行的进程(线程)。

    当 CPU 收到中断信号后,正在执行的进程(线程)会立即停止。注意,因为进程(线程)马上被停止,它还来不及保存自己的状态,所以后续操作系统必须完成这件事情。

    操作系统接管中断后,趁寄存器数据还没有被破坏,必须马上执行一小段非常底层的程序(通常是汇编编写),帮助寄存器保存之前进程(线程)的状态。

    操作系统保存好进程状态后,执行调度程序,决定下一个要被执行的进程(线程)。

    最后,操作系统执行下一个进程(线程)。

    当然,一个进程(线程)被选择执行后,它会继续完成之前被中断时的任务,这需要操作系统来执行一小段底层的程序帮助进程(线程)恢复状态。一种可能的算法就是通过栈这种数据结构。进程(线程)中断后,操作系统负责压栈关键数据(比如寄存器)。恢复执行时,操作系统负责出栈和恢复寄存器的值。

    多核处理
    在多核系统中我们上面所讲的设计原则依然成立,只不过动力变多了,可以并行执行的进程(线程)。通常情况下,CPU 有几个核,就可以并行执行几个进程(线程)。这里强调一个概念,我们通常说的并发,英文是 concurrent,指的在一段时间内几个任务看上去在同时执行(不要求多核);而并行,英文是 parallel,任务必须绝对的同时执行(要求多核)。

    比如一个 4 核的 CPU 就好像拥有 4 条流水线,可以并行执行 4 个任务。一个进程的多个线程执行过程则会产生竞争条件。因为操作系统提供了保存、恢复进程状态的能力,使得进程(线程)也可以在多个核心之间切换。

    创建进程(线程)的 API
    用户想要创建一个进程,最直接的方法就是从命令行执行一个程序,或者双击打开一个应用。但对于程序员而言,显然需要更好的设计。站在设计者的角度,你可以这样思考:首先,应该有 API 打开应用,比如可以通过函数打开某个应用;另一方面,如果程序员希望执行完一段代价昂贵的初始化过程后,将当前程序的状态复制好几份,变成一个个单独执行的进程,那么操作系统提供了 fork 指令。

    也就是说,每次 fork 会多创造一个克隆的进程,这个克隆的进程,所有状态都和原来的进程一样,但是会有自己的地址空间。如果要创造 2 个克隆进程,就要 fork 两次。你可能会问:那如果我就是想启动一个新的程序呢?我在上文说过:操作系统提供了启动新程序的 API。你可能还会问:如果我就是想用一个新进程执行一小段程序,比如说每次服务端收到客户端的请求时,我都想用一个进程去处理这个请求。如果是这种情况,我建议你不要单独启动进程,而是使用线程。因为进程的创建成本实在太高了,因此不建议用来做这样的事情:要创建条目、要分配内存,特别是还要在内存中形成一个个段,分成不同的区域。所以通常,我们更倾向于多创建线程。不同程序语言会自己提供创建线程的 API,比如 Java 有 Thread 类;go 有 go-routine(注意不是协程,是线程)。

    总结
    本讲我们学习了进程和线程的基本概念。了解了操作系统如何调度进程(线程)和分时算法的基本概念,然后了解进程(线程)的 3 种基本状态。线程也被称作轻量级进程,由操作系统直接调度的,是内核级线程。我们还学习了线程切换保存、恢复状态的过程。我们发现进程和线程是操作系统为了分配资源设计的两个概念,进程承接存储资源,线程承接计算资源。而进程包含线程,这样就可以做到进程间内存隔离。这是一个非常巧妙的设计,概念清晰,思路明确,你以后做架构的时候可以多参考这样的设计。 如果只有进程,或者只有线程,都不能如此简单的解决我们遇到的问题。

    那么通过这次学习,你现在可以来回答本节关联的面试题目:进程的开销比线程大在了哪里?

    【解析】 Linux 中创建一个进程自然会创建一个线程,也就是主线程。创建进程需要为进程划分出一块完整的内存空间,有大量的初始化操作,比如要把内存分段(堆栈、正文区等)创建线程则简单得多,只需要确定 PC 指针和寄存器的值,并且给线程分配一个栈用于执行程序,同一个进程的多个线程间可以复用堆栈。因此,创建进程比创建线程慢,而且进程的内存开销更大。

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    从今天开始,我们将要开启一个新的系列【闪耀计划】,没错!这是今年上半年的一整个系列计划!本专题目的是通过百天刷题计划,通过题目和知识点串联的方式,完成对计算机操作系统的复习和巩固;同时还配有专门的笔记...
  • 一个进程在其执行的过程中可以产生线程线程是进程的基本执行单元,一个进程的所有任务都在线程中执行 进程要想执行任务,必须得有线程,进程至少要有一条线程 多线程有什么用? 发挥多核CPU的优势 防止.
  • 线程 & 多线程

    千次阅读 多人点赞 2021-10-30 09:32:18
    线程和进程的联系和区别线程管理多线程线程程序缺点第一个多线程程序 线程 线程概念 所谓的"线程",可以理解成轻量级"进程",也是一种实现并发编程的方式 如果把一个进程,想象成是一个工厂,线程就是工厂中的若干...
  • 线程创建常用的四种方式

    千次阅读 2021-03-24 16:28:17
    java中创建线程的四种方法以及区别 Java使用Thread类代表线程,所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。Java可以用四种方式来创建线程,如下所示: 1)继承Thread类创建线程 2)实现Runnable接口创建线程 ...
  • Linux——线程创建

    千次阅读 2020-12-04 22:30:24
    线程是进程内部的一条执行序列,一个进程至少有一条线程,称之为主线程(main方法代表的执行序列),可以通过线程创建其他线程(给线程制定一个它要执行的函数),将创建线程称之为函数线程线程的实现方式 ...
  • 一个电脑最多能开启多少个线程?

    千次阅读 2021-07-31 00:24:10
    一个解决办法是创建线程时减少线程栈的大小或是使用64位的系统。64位系统应该可以忽略这个问题了。当然受cpu及磁盘速度及物理内存的限制。不用到达上限值,你的机器应该已经是慢如牛车了。—-有连接就开一个线程的...
  • 线程池主要是为了解决 新任务执行时,应用程序为任务创建一个线程 以及 任务执行完毕时,销毁线程所带来的开销。通过线程池,可以在项目初始化时就创建一个线程集合,然后在需要执行新任务时重用这些线程而不是...
  • Java多线程创建多少线程才合适?

    千次阅读 2019-09-05 13:25:46
    线程的执行是由CPU进行调度的,一个CPU在同一时刻只会执行一个线程 操作系统利用了时间片轮转的方式,CPU给每个任务都服务一定的时间,然后把当前任务的状态保存下来,再加载下一个任务的状态后,继续服务下一个...

空空如也

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创建一个线程的开销是多大