線程屬性設(shè)置

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• 參天引擎內(nèi)核架構(gòu)
  本專欄一起來聊聊參天引擎內(nèi)核架構(gòu)，以及如何實現(xiàn)多機的數(shù)據(jù)庫節(jié)點的多讀多寫，與傳統(tǒng)主備，MPP的區(qū)別，技術(shù)難點的分析，數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)同步，多主節(jié)點的情況下對故障容災(zāi)的支持。

• 手寫數(shù)據(jù)庫toadb
  本專欄主要介紹如何從零開發(fā)，開發(fā)的步驟，以及開發(fā)過程中的涉及的原理，遇到的問題等，讓大家能跟上并且可以一起開發(fā)，讓每個需要的人成為參與者。
  本專欄會定期更新，對應(yīng)的代碼也會定期更新，每個階段的代碼會打上tag，方便階段學習。

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前言

現(xiàn)代的CPU都是多core處理器，而且在intel處理器中每個core又可以多個processor，形成了多任務(wù)并行處理的硬件架構(gòu)，在服務(wù)器端的處理器上架構(gòu)又有一些不同，傳統(tǒng)的采用SMP，也就是對稱的多任務(wù)處理架構(gòu)，每個任務(wù)都可以對等的訪問所有內(nèi)存，外設(shè)等，而如今在ARM系列CPU上，多采用NUMA架構(gòu)，它將CPU核分了幾個組，給每個組的CPU core分配了對應(yīng)的內(nèi)存和外設(shè)，CPU訪問對應(yīng)的內(nèi)存和外設(shè)時速度最優(yōu)，跨組訪問時性能會降底一些。

隨著硬件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，它們對一般應(yīng)用的性能優(yōu)化能力越來越強，同時對于服務(wù)器軟件的開發(fā)，提出更高要求，要想達到極高的并發(fā)和性能，就需要充分利用當前硬件架構(gòu)的特點，對它們進行壓榨。那么，我們的應(yīng)用至少也是要采用多任務(wù)架構(gòu)，不管是多線程還是多進程的多任務(wù)架構(gòu)，才可以充分利用硬件的資源，達到高效的處理能力。

當然多任務(wù)框架的采用，不僅僅是多線程的執(zhí)行，需要對多任務(wù)下帶來的問題進行處理，如任務(wù)執(zhí)行返回值獲取，任務(wù)間數(shù)據(jù)的傳遞，任務(wù)執(zhí)行次序的協(xié)調(diào)；當然也不是任務(wù)越多處理越快，要避免線程過多導(dǎo)致操作系統(tǒng)夯住，也要防止任務(wù)空轉(zhuǎn)過快導(dǎo)致CPU使用率飆高。

本專欄主要介紹使用多線程與多進程模型，如何搭建多任務(wù)的應(yīng)用框架，同時對多任務(wù)下的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)同步，任務(wù)控制，以及CPU core與任務(wù)綁定等相關(guān)知識的分享，讓大家在實際開發(fā)中輕松構(gòu)建自已的多任務(wù)程序。

概述

前一篇博客介紹了創(chuàng)建線程的步驟和調(diào)用的接口，但是傳遞的參數(shù)都采用了默認值，其實線程有很多屬性值可以進行設(shè)置，這樣讓多線程的應(yīng)用運行更加的協(xié)調(diào)，充分利用硬件資源。

本文就來分享一下線程的屬性，以及設(shè)置方法和接口，最后會分享一段示例代碼看一下設(shè)置效果。

特點說明一下，這里分享的linux thread 庫，是Native Posix Thread Library(NPTL)，也就是符合posix的接口；為什么要強調(diào)這個呢，因為linux 下的線程庫有好幾種，各家實現(xiàn)都有一些差異，也會存在一些問題，而posix的這一套NTPL已經(jīng)被大家廣泛接受而大量使用，所以我們也以這套庫為基礎(chǔ)來介紹；編譯時需要加-lptrhead或libpthread庫引用。

線程屬性

線程屬性有很多，這里分類列舉一下。

主要分為四大類：

• 堆棧相關(guān)屬性，設(shè)置棧大小和起始地址，還可以設(shè)置保護區(qū)，給越界留有緩沖區(qū)；
• 調(diào)度相關(guān)屬性，CPU的綁定，調(diào)度策略等；
• 分離狀態(tài)，對線程退出時，資源的回收方式的設(shè)置；
• 信號掩碼設(shè)置，對線程級別的信號中斷響應(yīng)設(shè)置；

棧屬性

主要有四組接口，其中棧屬性設(shè)置包括了對棧地址和棧大小的設(shè)置，所以這里只介紹下面三組接口。

棧地址

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr,
                          void *stackaddr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr,
                          void **stackaddr, size_t *stacksize);

int pthread_attr_getstackaddr(const pthread_attr_t *restrict attr,
       void **restrict stackaddr);
int pthread_attr_setstackaddr(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr);                        

設(shè)置線程棧的起始地址，我們知道棧的地址是從起始地址開始從大到小的增長，也就是向下連續(xù)的分配空間，如果該地址超出了分配的棧區(qū)域的最高地址，就會發(fā)生棧溢出。

不建議平常使用單獨設(shè)置棧地址的功能 pthread_attr_setstackaddr，由于無法提供指定增長方向或棧范圍的方法; 而pthread_attr_setstack中指定了起始地址和stacksize參數(shù)指定的棧的范圍，可以分配連續(xù)的向下的區(qū)域。

棧大小

int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *restrict attr,
       size_t *restrict stacksize);
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);

常用的是對棧大小的設(shè)置，根據(jù)程序本身的特點，如并發(fā)線程多少，遞歸調(diào)用深度，分配大的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)等情況，決定是否需要調(diào)整默認棧大小。

棧保護區(qū)

int pthread_attr_getguardsize(const pthread_attr_t *restrict attr,
       size_t *restrict guardsize);
int pthread_attr_setguardsize(pthread_attr_t *attr,
       size_t guardsize); 

出于以下兩個原因，為應(yīng)用程序提供了 guardsize 屬性：

• 溢出保護可能會導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費。如果應(yīng)用程序創(chuàng)建大量線程，并且已知這些線程永遠不會溢出其棧，則可以關(guān)閉溢出保護區(qū)。通過關(guān)閉溢出保護區(qū)，可以節(jié)省系統(tǒng)資源。

• 線程在棧上分配大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，可能需要較大的溢出保護區(qū)來檢測棧溢出。

guardsize 參數(shù)提供了對棧指針溢出的保護。如果創(chuàng)建線程的棧時使用了保護功能，則實現(xiàn)會在棧的溢出端分配額外內(nèi)存。此額外內(nèi)存的作用與緩沖區(qū)一樣，可以防止棧指針的棧溢出。如果應(yīng)用程序溢出到此緩沖區(qū)中，這個錯誤可能會導(dǎo)致 SIGSEGV 信號被發(fā)送給該線程。

如果 guardsize 為零，則不會為線程提供溢出保護區(qū)。如果 guardsize 大于零，則會為每個使用 attr 創(chuàng)建的線程提供大小至少為 guardsize 字節(jié)的溢出保護區(qū)。缺省情況下，線程具有實現(xiàn)定義的非零溢出保護區(qū)。

允許合乎慣例的實現(xiàn)，將 guardsize 的值向上舍入為可配置的系統(tǒng)變量 PAGESIZE 的倍數(shù)。

調(diào)度屬性

線程調(diào)度屬性主要有以下幾種：

• 繼承屬性
• 調(diào)度參數(shù)屬性
• 調(diào)度策略屬性
• CPU親和性屬性

繼承屬性

int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr,
                                 int inheritsched);
int pthread_attr_getinheritsched(pthread_attr_t *attr,
                                 int *inheritsched);

• inherit 值為 PTHREAD_INHERIT_SCHED 表示新建的線程將繼承創(chuàng)建者線程中定義的調(diào)度策略, 將忽略在 pthread_create() 調(diào)用中定義的所有調(diào)度屬性。
• 如果使用缺省值 PTHREAD_EXPLICIT_SCHED ，則將使用 pthread_create() 調(diào)用中的屬性。

調(diào)度策略屬性

int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);
int pthread_attr_getschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int *policy);

這里的策略支持三種取值：

當policy 取值為以下：

• SCHED_FIFO， 先來先服務(wù)；
• SCHED_RR， 時間片輪轉(zhuǎn)；
• SCHED_OTHER， 普通策略；

前兩種是realtime，實時系統(tǒng)的調(diào)度策略，一般不會使用，它們兩個支持優(yōu)先級的設(shè)置，范圍是1-99；

第三種是用戶線程默認的策略類型，在內(nèi)核中的命名是SCHED_NORMAL, 不支持優(yōu)先級設(shè)置，必須為0；
當然在SCHED_OTHER策略下的各用戶線程之間可以通過調(diào)整nice值，進行優(yōu)先級調(diào)整，它的范圍為-20 - 19之間，越小優(yōu)先級越高。

優(yōu)先級屬性

int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr,
                               const struct sched_param *param);
int pthread_attr_getschedparam(pthread_attr_t *attr,
                               struct sched_param *param);

調(diào)度參數(shù)在結(jié)構(gòu)sched_param中定義，僅支持優(yōu)先級參數(shù)設(shè)定。

優(yōu)先級參數(shù)僅在支持的調(diào)度策略下設(shè)置才有效，在SCHED_OTHER, SCHED_IDLE, SCHED_BATCH這三種策略下，優(yōu)先級必須設(shè)置為0；
在SCHED_FIFO, SCHED_RR這兩種實時調(diào)度策略下，優(yōu)先級范圍為1-99，數(shù)字越大優(yōu)先級越高；

新創(chuàng)建的線程以此優(yōu)先級運行, 簡單示例代碼如下：

pthread_attr_t tattr;
int newprio;
sched_param param;

/* set the priority; others are unchanged */
param.sched_priority = 10;

/* set the new scheduling param */
ret = pthread_attr_setschedparam (&tattr, &param);

調(diào)度資源范圍屬性

int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int contentionscope);
int pthread_attr_getscope(const pthread_attr_t *attr, int *contentionscope);

contentionscope的取值如下：

• PTHREAD_SCOPE_SYSTEM， 線程在搶占資源，與它競爭的線程是系統(tǒng)中的所有線程；
• PTHREAD_SCOPE_PROCESS， 線程在搶占資源時，與它競爭的線程是本進程創(chuàng)建的線程，優(yōu)先級依賴與策略和優(yōu)先級設(shè)定；

CPU親和性屬性

int pthread_attr_setaffinity_np(pthread_attr_t *attr,
         size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
int pthread_attr_getaffinity_np(pthread_attr_t *attr,                   
         size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);

參數(shù)說明

• cpusetsize, 是第三個參數(shù)的size, 也就是sizeof(cpu_set_t);
• cpuset, 指定CPU core的掩碼，使用CPU_ZERO(&set);和 CPU_SET(numCpu, &set); 兩個宏來設(shè)定，numCpu指定綁定的core或thread編號，是整型數(shù)字；

參看機制的CPU 數(shù)量和core數(shù)量

[senllang@hatch example_03]$ lscpu | egrep -i 'core.*:|socket'
Thread(s) per core:  2
Core(s) per socket:  8
Socket(s):           1

這里有一個CPU，包含8個core，每個core可以有兩個線程，那就是可以有16個掩碼值，設(shè)置時編號從0-15；

有時CPU會采用NUMA架構(gòu)，那么相關(guān)線程需要設(shè)置到同一個Node的CPU編號下。

分離屬性

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);

detachstate的取值如下：

• PTHREAD_CREATE_DETACHED, 創(chuàng)建分離狀態(tài)的線程，此時不用關(guān)注線程退出時的資源回收；
• PTHREAD_CREATE_JOINABLE, 創(chuàng)建可連接狀態(tài)的線程，線程退出時，需要使用pthread_join對線程資源回收；默認參數(shù)就是可連接狀態(tài)的線程。

如果線程以PTHREAD_CREATE_JOINABLE創(chuàng)建后，沒有時機調(diào)用pthread_join時，還可以調(diào)用pthread_detach 函數(shù)，將指定線程置為分離狀態(tài)，這樣系統(tǒng)會自動回收線程資源。

如果線程以PTHREAD_CREATE_JOINABLE創(chuàng)建后，沒有調(diào)用pthread_join，會造成一定的內(nèi)存泄漏，這里一定要注意。

信號屬性

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include <pthread.h>

int pthread_attr_setsigmask_np(pthread_attr_t *attr,
                                      const sigset_t *sigmask);
int pthread_attr_getsigmask_np(const pthread_attr_t *attr,
                                      sigset_t *sigmask);

設(shè)置線程級別的信號掩碼，也就是那些信號會被阻塞。
sigset_t 類型的操作，需要使用一組信號掩碼操作函數(shù)

• int sigemptyset (sigset_t *set) ，清空信號掩碼變量
• int sigfillset (sigset_t *set) ， 填充所有信號掩碼
• int sigaddset (sigset_t *set, int signum) ，將某個信號添加到掩碼中
• int sigdelset (sigset_t *set, int signum) ，將某個信號從掩碼中移除
• int sigismember (const sigset_t *set, int signum)， 檢測某個信號是否在掩碼中

默認屬性

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include <pthread.h>

int pthread_getattr_default_np(pthread_attr_t *attr);
int pthread_setattr_default_np(pthread_attr_t *attr);

int pthread_getattr_np(pthread_t thread, pthread_attr_t *attr);

前兩個函數(shù)是將線程屬性設(shè)置為默認值，也就是創(chuàng)建線程時，將線程屬性設(shè)置為NULL，這兩者是等價的。

第三個函數(shù)是獲取指定線程的屬性，可以在線程運行過程中獲取線程屬性。

總結(jié)

本文主要分享了線程屬性相關(guān)的接口，以及部分屬性的含義，如何正確使用；在應(yīng)用編程時，大多數(shù)情況下都會采用多線程并發(fā)的架構(gòu)，線程屬性的正確使用，能夠幫助我們有提高CPU的利用效率，同時在使用過程中避夠資源泄漏也非常關(guān)鍵。

在gitCode上分享了工程hatchCode，會不斷增加多線程并發(fā)的案例代碼，請大家關(guān)注保留。

結(jié)尾

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作者郵箱：study@senllang.onaliyun.com
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