【C/C++】多线程竞争与线程池

多线程竞争与线程池

学习代码：threads/threads.c、threads/threads_pool.c

多线程最容易迷惑人的地方是：代码看起来是一行，CPU 执行时可能是多步。count++ 在 C 代码里只有一行，但底层大致要经历读取、加一、写回三个步骤。如果两个线程同时读取到旧值 50，各自加一后都写回 51，最后结果就是 51，而不是预期的 52。这就是临界区竞争。

项目里为了比较不同同步方式，写了互斥锁、自旋锁、原子操作和 CAS。CAS 的代码如下：

void cas_inc(int *cas_count) {
    while (1) {
        int old = *cas_count;
        int new_value = old + 1;

        if (__sync_bool_compare_and_swap(cas_count, old, new_value)) {
            return;
        }
    }
}

CAS 的思想是乐观的：先读旧值，计算新值，提交时让 CPU 判断当前值是否仍等于旧值。如果没人改过，就交换成功；如果被其他线程改过，就继续重试。它避免了阻塞，但在竞争特别激烈时会反复失败，CPU 时间会花在重试上。所以同步方案没有绝对最好，只有适用场景：临界区短可以考虑自旋或原子操作，临界区长更适合互斥锁，简单计数优先用原子操作，复杂共享结构通常需要锁保护。

线程池则解决另一个问题：不能因为有很多任务就无限创建线程。项目里的线程池由任务队列、worker 队列、互斥锁和条件变量组成：

typedef struct nManager
{
    struct nWorker *worker_head;
    struct nTask *task_head;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
} ThreadPool;

添加任务时，把任务插入队列并 pthread_cond_signal() 通知 worker；worker 没任务时在条件变量上等待，有任务时取出任务执行：

while (pool->task_head == NULL)
{
    if (worker->terminate)
        break;
    pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->mutex);
}

我的理解是，多线程编程要同时考虑正确性和资源管理。锁、CAS 解决的是共享数据正确性；线程池解决的是线程数量和任务调度。只知道创建线程，程序很容易在线程数量上失控；只知道加锁，又可能把并发性能锁没了。真正的并发设计，是在安全、性能和复杂度之间找到平衡。

学习链接: https://github.com/0voice