多線程服務(wù)器的常用編程模型

本文主要講我個人在多線程開發(fā)方面的一些粗淺經(jīng)驗�？偨Y(jié)了一兩種常用的線程模型，歸納了進(jìn)程間通訊與線程同步的最佳實踐，以期用簡單規(guī)范的方式開發(fā)多線程程序。

文中的“多線程服務(wù)器”是指運行在 Linux 操作系統(tǒng)上的獨占式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。硬件平臺為 Intel x64 系列的多核 CPU，單路或雙路 SMP 服務(wù)器（每臺機(jī)器一共擁有四個核或八個核，十幾 GB 內(nèi)存），機(jī)器之間用百兆或千兆以太網(wǎng)連接。這大概是目前民用 PC 服務(wù)器的主流配置。

本文不涉及 Windows 系統(tǒng)，不涉及人機(jī)交互界面（無論命令行或圖形）；不考慮文件讀寫（往磁盤寫 log 除外），不考慮數(shù)據(jù)庫操作，不考慮 Web 應(yīng)用；不考慮低端的單核主機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，不考慮手持式設(shè)備，不考慮專門的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，不考慮高端的 >=32 核 Unix 主機(jī)；只考慮 TCP，不考慮 UDP，也不考慮除了局域網(wǎng)絡(luò)之外的其他數(shù)據(jù)收發(fā)方式（例如串并口、USB口、數(shù)據(jù)采集板卡、實時控制等）。

有了以上這么多限制，那么我將要談的“網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序”的基本功能可以歸納為“收到數(shù)據(jù)，算一算，再發(fā)出去”。在這個簡化了的模型里，似乎看不出用多線程的必要，單線程應(yīng)該也能做得很好。“為什么需要寫多線程程序”這個問題容易引發(fā)口水戰(zhàn)，我放到另一篇博客里討論。請允許我先假定“多線程編程”這一背景。

“服務(wù)器”這個詞有時指程序，有時指進(jìn)程，有時指硬件（無論虛擬的或真實的），請注意按上下文區(qū)分。另外，本文不考慮虛擬化的場景，當(dāng)我說“兩個進(jìn)程不在同一臺機(jī)器上”，指的是邏輯上不在同一個操作系統(tǒng)里運行，雖然物理上可能位于同一機(jī)器虛擬出來的兩臺“虛擬機(jī)”上。

本文假定讀者已經(jīng)有多線程編程的知識與經(jīng)驗，這不是一篇入門教程。

本文承蒙 Milo Yip 先生審讀，在此深表謝意。當(dāng)然，文中任何錯誤責(zé)任均在我。

1 進(jìn)程與線程
“進(jìn)程/process”是操作里最重要的兩個概念之一（另一個是文件），粗略地講，一個進(jìn)程是“內(nèi)存中正在運行的程序”。本文的進(jìn)程指的是 Linux 操作系統(tǒng)通過 fork() 系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的那個東西，或者 Windows 下 CreateProcess() 的產(chǎn)物，不是 Erlang 里的那種輕量級進(jìn)程。

每個進(jìn)程有自己獨立的地址空間 (address space)，“在同一個進(jìn)程”還是“不在同一個進(jìn)程”是系統(tǒng)功能劃分的重要決策點。Erlang 書把“進(jìn)程”比喻為“人”，我覺得十分精當(dāng)，為我們提供了一個思考的框架。

每個人有自己的記憶 (memory)，人與人通過談話（消息傳遞）來交流，談話既可以是面談（同一臺服務(wù)器），也可以在電話里談（不同的服務(wù)器，有網(wǎng)絡(luò)通信）。面談和電話談的區(qū)別在于，面談可以立即知道對方死否死了（crash, SIGCHLD），而電話談只能通過周期性的心跳來判斷對方是否還活著。

有了這些比喻，設(shè)計分布式系統(tǒng)時可以采取“角色扮演”，團(tuán)隊里的幾個人各自扮演一個進(jìn)程，人的角色由進(jìn)程的代碼決定（管登陸的、管消息分發(fā)的、管買賣的等等）。每個人有自己的記憶，但不知道別人的記憶，要想知道別人的看法，只能通過交談。（暫不考慮共享內(nèi)存這種 IPC。）然后就可以思考容錯（萬一有人突然死了）、擴(kuò)容（新人中途加進(jìn)來）、負(fù)載均衡（把 a 的活兒挪給 b 做）、退休（a 要修復(fù) bug，先別給他派新活兒，等他做完手上的事情就把他重啟）等等各種場景，十分便利。

“線程”這個概念大概是在 1993 年以后才慢慢流行起來的，距今不過十余年，比不得有 40 年光輝歷史的 Unix 操作系統(tǒng)。線程的出現(xiàn)給 Unix 添了不少亂，很多 C 庫函數(shù)（strtok(), ctime()）不是線程安全的，需要重新定義；signal 的語意也大為復(fù)雜化。據(jù)我所知，最早支持多線程編程的（民用）操作系統(tǒng)是 Solaris 2.2 和 Windows NT 3.1，它們均發(fā)布于 1993 年。隨后在 1995 年，POSIX threads 標(biāo)準(zhǔn)確立。

線程的特點是共享地址空間，從而可以高效地共享數(shù)據(jù)。一臺機(jī)器上的多個進(jìn)程能高效地共享代碼段（操作系統(tǒng)可以映射為同樣的物理內(nèi)存），但不能共享數(shù)據(jù)。如果多個進(jìn)程大量共享內(nèi)存，等于是把多進(jìn)程程序當(dāng)成多線程來寫，掩耳盜鈴。

“多線程”的價值，我認(rèn)為是為了更好地發(fā)揮對稱多路處理 (SMP) 的效能。在 SMP 之前，多線程沒有多大價值。Alan Cox 說過 A computer is a state machine. Threads are for people who can't program state machines. （計算機(jī)是一臺狀態(tài)機(jī)。線程是給那些不能編寫狀態(tài)機(jī)程序的人準(zhǔn)備的。）如果只有一個執(zhí)行單元，一個 CPU，那么確實如 Alan Cox 所說，按狀態(tài)機(jī)的思路去寫程序是最高效的，這正好也是下一節(jié)展示的編程模型。

2 典型的單線程服務(wù)器編程模型
UNP3e 對此有很好的總結(jié)（第 6 章：IO 模型，第 30 章：客戶端/服務(wù)器設(shè)計范式），這里不再贅述。據(jù)我了解，在高性能的網(wǎng)絡(luò)程序中，使用得最為廣泛的恐怕要數(shù)“non-blocking IO + IO multiplexing”這種模型，即 Reactor 模式，我知道的有：

lighttpd，單線程服務(wù)器。（nginx 估計與之類似，待查）
libevent/libev
ACE，Poco C++ libraries（QT 待查）
Java NIO (Selector/SelectableChannel), Apache Mina, Netty (Java)
POE (Perl)
Twisted (Python)
相反，boost::asio 和 Windows I/O Completion Ports 實現(xiàn)了 Proactor 模式，應(yīng)用面似乎要窄一些。當(dāng)然，ACE 也實現(xiàn)了 Proactor 模式，不表。

在“non-blocking IO + IO multiplexing”這種模型下，程序的基本結(jié)構(gòu)是一個事件循環(huán) (event loop)：（代碼僅為示意，沒有完整考慮各種情況）

01 while (!done)

02 {

03 int timeout_ms = max(1000, getNextTimedCallback());

04 int retval = ::poll(fds, nfds, timeout_ms);

05 if (retval < 0) {

06 處理錯誤

07 } else {

08 處理到期的 timers

09 if (retval > 0) {

10 處理 IO 事件

11 }

12 }

13 }

當(dāng)然，select(2)/poll(2) 有很多不足，Linux 下可替換為 epoll，其他操作系統(tǒng)也有對應(yīng)的高性能替代品（搜 c10k problem）。

Reactor 模型的優(yōu)點很明顯，編程簡單，效率也不錯。不僅網(wǎng)絡(luò)讀寫可以用，連接的建立（connect/accept）甚至 DNS 解析都可以用非阻塞方式進(jìn)行，以提高并發(fā)度和吞吐量 (throughput)。對于 IO 密集的應(yīng)用是個不錯的選擇，Lighttpd 即是這樣，它內(nèi)部的 fdevent 結(jié)構(gòu)十分精妙，值得學(xué)習(xí)。（這里且不考慮用阻塞 IO 這種次優(yōu)的方案。）

當(dāng)然，實現(xiàn)一個優(yōu)質(zhì)的 Reactor 不是那么容易，我也沒有用過坊間開源的庫，這里就不推薦了。

3 典型的多線程服務(wù)器的線程模型
這方面我能找到的文獻(xiàn)不多，大概有這么幾種：

1. 每個請求創(chuàng)建一個線程，使用阻塞式 IO 操作。在 Java 1.4 引入 NIO 之前，這是 Java 網(wǎng)絡(luò)編程的推薦做法�？上�伸縮性不佳。

2. 使用線程池，同樣使用阻塞式 IO 操作。與 1 相比，這是提高性能的措施。

3. 使用 non-blocking IO + IO multiplexing。即 Java NIO 的方式。

4. Leader/Follower 等高級模式

在默認(rèn)情況下，我會使用第 3 種，即 non-blocking IO + one loop per thread 模式。
http://pod.tst.eu/http://cvs.schmorp.de/libev/ev.pod#THREADS_AND_COROUTINES

One loop per thread
此種模型下，程序里的每個 IO 線程有一個 event loop （或者叫 Reactor），用于處理讀寫和定時事件（無論周期性的還是單次的），代碼框架跟第 2 節(jié)一樣。

這種方式的好處是：

線程數(shù)目基本固定，可以在程序啟動的時候設(shè)置，不會頻繁創(chuàng)建與銷毀。
可以很方便地在線程間調(diào)配負(fù)載。
event loop 代表了線程的主循環(huán)，需要讓哪個線程干活，就把 timer 或 IO channel (TCP connection) 注冊到那個線程的 loop 里即可。對實時性有要求的 connection 可以單獨用一個線程；數(shù)據(jù)量大的 connection 可以獨占一個線程，并把數(shù)據(jù)處理任務(wù)分?jǐn)偟搅韼讉�線程中；其他次要的輔助性 connections 可以共享一個線程。

對于 non-trivial 的服務(wù)端程序，一般會采用 non-blocking IO + IO multiplexing，每個 connection/acceptor 都會注冊到某個 Reactor 上，程序里有多個 Reactor，每個線程至多有一個 Reactor。

多線程程序?qū)?Reactor 提出了更高的要求，那就是“線程安全”。要允許一個線程往別的線程的 loop 里塞東西，這個 loop 必須得是線程安全的。

線程池
不過，對于沒有 IO 光有計算任務(wù)的線程，使用 event loop 有點浪費，我會用有一種補(bǔ)充方案，即用 blocking queue 實現(xiàn)的任務(wù)隊列(TaskQueue)：

1 blocking_queue<boost::function<void()> > taskQueue; // 線程安全的阻塞隊列

2

3 void worker_thread()

4 {

5 while (!quit) {

6 boost::function<void()> task = taskQueue.take(); // this blocks

7 task(); // 在產(chǎn)品代碼中需要考慮異常處理

8 }

9 }

用這種方式實現(xiàn)線程池特別容易：

1 // 啟動容量為 N 的線程池：

2 int N = num_of_computing_threads;

3 for (int i = 0; i < N; ++i) {

4 create_thread(&worker_thread); // 偽代碼：啟動線程

5 }

使用起來也很簡單：

1 boost::function<void()> task = boost::bind(&Foo::calc, this);

2 taskQueue.post(task);

上面十幾行代碼就實現(xiàn)了一個簡單的固定數(shù)目的線程池，功能大概相當(dāng)于 Java 5 的 ThreadPoolExecutor 的某種“配置”。當(dāng)然，在真實的項目中，這些代碼都應(yīng)該封裝到一個 class 中，而不是使用全局對象。另外需要注意一點：Foo 對象的生命期，我的另一篇博客《當(dāng)析構(gòu)函數(shù)遇到多線程——C++ 中線程安全的對象回調(diào)》詳細(xì)討論了這個問題
http://blog.csdn.net/Solstice/archive/2010/01/22/5238671.aspx

除了任務(wù)隊列，還可以用 blocking_queue<T> 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的消費者-生產(chǎn)者隊列，即 T 的是數(shù)據(jù)類型而非函數(shù)對象，queue 的消費者(s)從中拿到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這樣做比 task queue 更加 specific 一些。

blocking_queue<T> 是多線程編程的利器，它的實現(xiàn)可參照 Java 5 util.concurrent 里的 (Array|Linked)BlockingQueue，通常 C++ 可以用 deque 來做底層的容器。Java 5 里的代碼可讀性很高，代碼的基本結(jié)構(gòu)和教科書一致（1 個 mutex，2 個 condition variables），健壯性要高得多。如果不想自己實現(xiàn)，用現(xiàn)成的庫更好。（我沒有用過免費的庫，這里就不亂推薦了，有興趣的同學(xué)可以試試 Intel Threading Building Blocks 里的 concurrent_queue<T>。）

歸納
總結(jié)起來，我推薦的多線程服務(wù)端編程模式為：event loop per thread + thread pool。

event loop 用作 non-blocking IO 和定時器。
thread pool 用來做計算，具體可以是任務(wù)隊列或消費者-生產(chǎn)者隊列。
以這種方式寫服務(wù)器程序，需要一個優(yōu)質(zhì)的基于 Reactor 模式的網(wǎng)絡(luò)庫來支撐，我只用過 in-house 的產(chǎn)品，無從比較并推薦市面上常見的 C++ 網(wǎng)絡(luò)庫，抱歉。

程序里具體用幾個 loop、線程池的大小等參數(shù)需要根據(jù)應(yīng)用來設(shè)定，基本的原則是“阻抗匹配”，使得 CPU 和 IO 都能高效地運作，具體的考慮點容我以后再談。

這里沒有談線程的退出，留待下一篇 blog“多線程編程反模式”探討。

此外，程序里或許還有個別執(zhí)行特殊任務(wù)的線程，比如 logging，這對應(yīng)用程序來說基本是不可見的，但是在分配資源（CPU 和 IO）的時候要算進(jìn)去，以免高估了系統(tǒng)的容量。

4 進(jìn)程間通信與線程間通信
Linux 下進(jìn)程間通信 (IPC) 的方式數(shù)不勝數(shù)，光 UNPv2 列出的就有：pipe、FIFO、POSIX 消息隊列、共享內(nèi)存、信號 (signals) 等等，更不必說 Sockets 了。同步原語 (synchronization primitives) 也很多，互斥器 (mutex)、條件變量 (condition variable)、讀寫鎖 (reader-writer lock)、文件鎖 (Record locking)、信號量 (Semaphore) 等等。

如何選擇呢？根據(jù)我的個人經(jīng)驗，貴精不貴多，認(rèn)真挑選三四樣?xùn)|西就能完全滿足我的工作需要，而且每樣我都能用得很熟,，不容易犯錯。

5 進(jìn)程間通信
進(jìn)程間通信我首選 Sockets（主要指 TCP，我沒有用過 UDP，也不考慮 Unix domain 協(xié)議），其最大的好處在于：可以跨主機(jī)，具有伸縮性。反正都是多進(jìn)程了，如果一臺機(jī)器處理能力不夠，很自然地就能用多臺機(jī)器來處理。把進(jìn)程分散到同一局域網(wǎng)的多臺機(jī)器上，程序改改 host:port 配置就能繼續(xù)用。相反，前面列出的其他 IPC 都不能跨機(jī)器（比如共享內(nèi)存效率最高，但再怎么著也不能高效地共享兩臺機(jī)器的內(nèi)存），限制了 scalability。

在編程上，TCP sockets 和 pipe 都是一個文件描述符，用來收發(fā)字節(jié)流，都可以 read/write/fcntl/select/poll 等。不同的是，TCP 是雙向的，pipe 是單向的 (Linux)，進(jìn)程間雙向通訊還得開兩個文件描述符，不方便；而且進(jìn)程要有父子關(guān)系才能用 pipe，這些都限制了 pipe 的使用。在收發(fā)字節(jié)流這一通訊模型下，沒有比 sockets/TCP 更自然的 IPC 了。當(dāng)然，pipe 也有一個經(jīng)典應(yīng)用場景，那就是寫 Reactor/Selector 時用來異步喚醒 select (或等價的 poll/epoll) 調(diào)用（Sun JVM 在 Linux 就是這么做的）。

TCP port 是由一個進(jìn)程獨占，且操作系統(tǒng)會自動回收（listening port 和已建立連接的 TCP socket 都是文件描述符，在進(jìn)程結(jié)束時操作系統(tǒng)會關(guān)閉所有文件描述符）。這說明，即使程序意外退出，也不會給系統(tǒng)留下垃圾，程序重啟之后能比較容易地恢復(fù)，而不需要重啟操作系統(tǒng)（用跨進(jìn)程的 mutex 就有這個風(fēng)險）。還有一個好處，既然 port 是獨占的，那么可以防止程序重復(fù)啟動（后面那個進(jìn)程搶不到 port，自然就沒法工作了），造成意料之外的結(jié)果。

兩個進(jìn)程通過 TCP 通信，如果一個崩潰了，操作系統(tǒng)會關(guān)閉連接，這樣另一個進(jìn)程幾乎立刻就能感知，可以快速 failover。當(dāng)然，應(yīng)用層的心跳也是必不可少的，我以后在講服務(wù)端的日期與時間處理的時候還會談到心跳協(xié)議的設(shè)計。

與其他 IPC 相比，TCP 協(xié)議的一個自然好處是“可記錄可重現(xiàn)”，tcpdump/Wireshark 是解決兩個進(jìn)程間協(xié)議/狀態(tài)爭端的好幫手。

另外，如果網(wǎng)絡(luò)庫帶“連接重試”功能的話，我們可以不要求系統(tǒng)里的進(jìn)程以特定的順序啟動，任何一個進(jìn)程都能單獨重啟，這對開發(fā)牢靠的分布式系統(tǒng)意義重大。

使用 TCP 這種字節(jié)流 (byte stream) 方式通信，會有 marshal/unmarshal 的開銷，這要求我們選用合適的消息格式，準(zhǔn)確地說是 wire format。這將是我下一篇 blog 的主題，目前我推薦 Google Protocol Buffers。

有人或許會說，具體問題具體分析，如果兩個進(jìn)程在同一臺機(jī)器，就用共享內(nèi)存，否則就用 TCP，比如 MS SQL Server 就同時支持這兩種通信方式。我問，是否值得為那么一點性能提升而讓代碼的復(fù)雜度大大增加呢？TCP 是字節(jié)流協(xié)議，只能順序讀取，有寫緩沖；共享內(nèi)存是消息協(xié)議，a 進(jìn)程填好一塊內(nèi)存讓 b 進(jìn)程來讀，基本是“停等”方式。要把這兩種方式揉到一個程序里，需要建一個抽象層，封裝兩種 IPC。這會帶來不透明性，并且增加測試的復(fù)雜度，而且萬一通信的某一方崩潰，狀態(tài) reconcile 也會比 sockets 麻煩。為我所不取。再說了，你舍得讓幾萬塊買來的 SQL Server 和你的程序分享機(jī)器資源嗎？產(chǎn)品里的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器往往是獨立的高配置服務(wù)器，一般不會同時運行其他占資源的程序。

TCP 本身是個數(shù)據(jù)流協(xié)議，除了直接使用它來通信，還可以在此之上構(gòu)建 RPC/REST/SOAP 之類的上層通信協(xié)議，這超過了本文的范圍。另外，除了點對點的通信之外，應(yīng)用級的廣播協(xié)議也是非常有用的，可以方便地構(gòu)建可觀可控的分布式系統(tǒng)。

本文不具體講 Reactor 方式下的網(wǎng)絡(luò)編程，其實這里邊有很多值得注意的地方，比如帶 back off 的 retry connecting，用優(yōu)先隊列來組織 timer 等等，留作以后分析吧。

6 線程間同步
線程同步的四項原則，按重要性排列：

1. 首要原則是盡量最低限度地共享對象，減少需要同步的場合。一個對象能不暴露給別的線程就不要暴露；如果要暴露，優(yōu)先考慮 immutable 對象；實在不行才暴露可修改的對象，并用同步措施來充分保護(hù)它。

2. 其次是使用高級的并發(fā)編程構(gòu)件，如 TaskQueue、Producer-Consumer Queue、CountDownLatch 等等；

3. 最后不得已必須使用底層同步原語 (primitives) 時，只用非遞歸的互斥器和條件變量，偶爾用一用讀寫鎖；

4. 不自己編寫 lock-free 代碼，不去憑空猜測“哪種做法性能會更好”，比如 spin lock vs. mutex。

前面兩條很容易理解，這里著重講一下第 3 條：底層同步原語的使用。

互斥器 (mutex)
互斥器 (mutex) 恐怕是使用得最多的同步原語，粗略地說，它保護(hù)了臨界區(qū)，一個時刻最多只能有一個線程在臨界區(qū)內(nèi)活動。（請注意，我談的是 pthreads 里的 mutex，不是 Windows 里的重量級跨進(jìn)程 Mutex。）單獨使用 mutex 時，我們主要為了保護(hù)共享數(shù)據(jù)。我個人的原則是：

用 RAII 手法封裝 mutex 的創(chuàng)建、銷毀、加鎖、解鎖這四個操作。
只用非遞歸的 mutex（即不可重入的 mutex）。
不手工調(diào)用 lock() 和 unlock() 函數(shù)，一切交給棧上的 Guard 對象的構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)負(fù)責(zé)，Guard 對象的生命期正好等于臨界區(qū)（分析對象在什么時候析構(gòu)是 C++ 程序員的基本功）。這樣我們保證在同一個函數(shù)里加鎖和解鎖，避免在 foo() 里加鎖，然后跑到 bar() 里解鎖。
在每次構(gòu)造 Guard 對象的時候，思考一路上（調(diào)用棧上）已經(jīng)持有的鎖，防止因加鎖順序不同而導(dǎo)致死鎖 (deadlock)。由于 Guard 對象是棧上對象，看函數(shù)調(diào)用棧就能分析用鎖的情況，非常便利。
次要原則有：

不使用跨進(jìn)程的 mutex，進(jìn)程間通信只用 TCP sockets。
加鎖解鎖在同一個線程，線程 a 不能去 unlock 線程 b 已經(jīng)鎖住的 mutex。（RAII 自動保證）
別忘了解鎖。（RAII 自動保證）
不重復(fù)解鎖。（RAII 自動保證）
必要的時候可以考慮用 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 來排錯
用 RAII 封裝這幾個操作是通行的做法，這幾乎是 C++ 的標(biāo)準(zhǔn)實踐，后面我會給出具體的代碼示例，相信大家都已經(jīng)寫過或用過類似的代碼了。Java 里的 synchronized 語句和 C# 的 using 語句也有類似的效果，即保證鎖的生效期間等于一個作用域，不會因異常而忘記解鎖。

Mutex 恐怕是最簡單的同步原語，安裝上面的幾條原則，幾乎不可能用錯。我自己從來沒有違背過這些原則，編碼時出現(xiàn)問題都很快能招到并修復(fù)。

跑題：非遞歸的 mutex
談?wù)勎覉猿质褂梅沁f歸的互斥器的個人想法。

Mutex 分為遞歸 (recursive) 和非遞歸(non-recursive)兩種，這是 POSIX 的叫法，另外的名字是可重入 (Reentrant) 與非可重入。這兩種 mutex 作為線程間 (inter-thread) 的同步工具時沒有區(qū)別，它們的惟一區(qū)別在于：同一個線程可以重復(fù)對 recursive mutex 加鎖，但是不能重復(fù)對 non-recursive mutex 加鎖。

首選非遞歸 mutex，絕對不是為了性能，而是為了體現(xiàn)設(shè)計意圖。non-recursive 和 recursive 的性能差別其實不大，因為少用一個計數(shù)器，前者略快一點點而已。在同一個線程里多次對 non-recursive mutex 加鎖會立刻導(dǎo)致死鎖，我認(rèn)為這是它的優(yōu)點，能幫助我們思考代碼對鎖的期求，并且及早（在編碼階段）發(fā)現(xiàn)問題。

毫無疑問 recursive mutex 使用起來要方便一些，因為不用考慮一個線程會自己把自己給鎖死了，我猜這也是 Java 和 Windows 默認(rèn)提供 recursive mutex 的原因。（Java 語言自帶的 intrinsic lock 是可重入的，它的 concurrent 庫里提供 ReentrantLock，Windows 的 CRITICAL_SECTION 也是可重入的。似乎它們都不提供輕量級的 non-recursive mutex。）

正因為它方便，recursive mutex 可能會隱藏代碼里的一些問題。典型情況是你以為拿到一個鎖就能修改對象了，沒想到外層代碼已經(jīng)拿到了鎖，正在修改（或讀�。┩�一個對象呢。具體的例子：

01 std::vector<Foo> foos;

02 MutexLock mutex;

03

04 void post(const Foo& f)

05 {

06 MutexLockGuard lock(mutex);

07 foos.push_back(f);

08 }

09

10 void traverse()

11 {

12 MutexLockGuard lock(mutex);

13 for (auto it = foos.begin(); it != foos.end(); ++it) { // 用了 0x 新寫法

14 it->doit();

15 }

16 }

post() 加鎖，然后修改 foos 對象； traverse() 加鎖，然后遍歷 foos 數(shù)組。將來有一天，F(xiàn)oo::doit() 間接調(diào)用了 post() （這在邏輯上是錯誤的），那么會很有戲劇性的：

1. Mutex 是非遞歸的，于是死鎖了。

2. Mutex 是遞歸的，由于 push_back 可能（但不總是）導(dǎo)致 vector 迭代器失效，程序偶爾會 crash。

這時候就能體現(xiàn) non-recursive 的優(yōu)越性：把程序的邏輯錯誤暴露出來。死鎖比較容易 debug，把各個線程的調(diào)用棧打出來（(gdb) thread apply all bt），只要每個函數(shù)不是特別長，很容易看出來是怎么死的。（另一方面支持了函數(shù)不要寫過長。）或者可以用 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 一下子就能找到錯誤（前提是 MutexLock 帶 debug 選項。）

程序反正要死，不如死得有意義一點，讓驗尸官的日子好過些。

如果一個函數(shù)既可能在已加鎖的情況下調(diào)用，又可能在未加鎖的情況下調(diào)用，那么就拆成兩個函數(shù)：

1. 跟原來的函數(shù)同名，函數(shù)加鎖，轉(zhuǎn)而調(diào)用第 2 個函數(shù)。

2. 給函數(shù)名加上后綴 WithLockHold，不加鎖，把原來的函數(shù)體搬過來。

就像這樣：

01 void post(const Foo& f)

02 {

03 MutexLockGuard lock(mutex);

04 postWithLockHold(f); // 不用擔(dān)心開銷，編譯器會自動內(nèi)聯(lián)的

05 }

06

07 // 引入這個函數(shù)是為了體現(xiàn)代碼作者的意圖，盡管 push_back 通常可以手動內(nèi)聯(lián)

08 void postWithLockHold(const Foo& f)

09 {

10 foos.push_back(f);

11 }

這有可能出現(xiàn)兩個問題（感謝水木網(wǎng)友 ilovecpp 提出）：a) 誤用了加鎖版本，死鎖了。b) 誤用了不加鎖版本，數(shù)據(jù)損壞了。

對于 a)，仿造前面的辦法能比較容易地排錯。對于 b)，如果 pthreads 提供 isLocked() 就好辦，可以寫成：

1 void postWithLockHold(const Foo& f)

2 {

3 assert(mutex.isLocked()); // 目前只是一個愿望

4 // ...

5 }

另外，WithLockHold 這個顯眼的后綴也讓程序中的誤用容易暴露出來。

C++ 沒有 annotation，不能像 Java 那樣給 method 或 field 標(biāo)上 @GuardedBy 注解，需要程序員自己小心在意。雖然這里的辦法不能一勞永逸地解決全部多線程錯誤，但能幫上一點是一點了。

我還沒有遇到過需要使用 recursive mutex 的情況，我想將來遇到了都可以借助 wrapper 改用 non-recursive mutex，代碼只會更清晰。

=== 回到正題 ===

本文這里只談了 mutex 本身的正確使用，在 C++ 里多線程編程還會遇到其他很多 race condition，請參考拙作《當(dāng)析構(gòu)函數(shù)遇到多線程——C++ 中線程安全的對象回調(diào)》
http://blog.csdn.net/Solstice/archive/2010/01/22/5238671.aspx 。請注意這里的 class 命名與那篇文章有所不同。我現(xiàn)在認(rèn)為 MutexLock 和 MutexLockGuard 是更好的名稱。

性能注腳：Linux 的 pthreads mutex 采用 futex 實現(xiàn)，不必每次加鎖解鎖都陷入系統(tǒng)調(diào)用，效率不錯。Windows 的 CRITICAL_SECTION 也是類似。

條件變量
條件變量 (condition variable) 顧名思義是一個或多個線程等待某個布爾表達(dá)式為真，即等待別的線程“喚醒”它。條件變量的學(xué)名叫管程 (monitor)。Java Object 內(nèi)置的 wait(), notify(), notifyAll() 即是條件變量（它們以容易用錯著稱）。條件變量只有一種正確使用的方式，對于 wait() 端：

1. 必須與 mutex 一起使用，該布爾表達(dá)式的讀寫需受此 mutex 保護(hù)

2. 在 mutex 已上鎖的時候才能調(diào)用 wait()

3. 把判斷布爾條件和 wait() 放到 while 循環(huán)中

寫成代碼是：

01 MutexLock mutex;

02 Condition cond(mutex);

03 std::deque<int> queue;

04

05 int dequeue()

06 {

07 MutexLockGuard lock(mutex);

08 while (queue.empty()) { // 必須用循環(huán)；必須在判斷之后再 wait()

09 cond.wait(); // 這一步會原子地 unlock mutex 并進(jìn)入 blocking，不會與 enqueue 死鎖

10 }

11 assert(!queue.empty());

12 int top = queue.front();

13 queue.pop_front();

14 return top;

15 }

對于 signal/broadcast 端：

1. 不一定要在 mutex 已上鎖的情況下調(diào)用 signal （理論上）

2. 在 signal 之前一般要修改布爾表達(dá)式

3. 修改布爾表達(dá)式通常要用 mutex 保護(hù)（至少用作 full memory barrier）

寫成代碼是：

1 void enqueue(int x)

2 {

3 MutexLockGuard lock(mutex);

4 queue.push_back(x);

5 cond.notify();

6 }

上面的 dequeue/enqueue 實際上實現(xiàn)了一個簡單的 unbounded BlockingQueue。

條件變量是非常底層的同步原語，很少直接使用，一般都是用它來實現(xiàn)高層的同步措施，如 BlockingQueue 或 CountDownLatch。

讀寫鎖與其他
讀寫鎖 (Reader-Writer lock)，讀寫鎖是個優(yōu)秀的抽象，它明確區(qū)分了 read 和 write 兩種行為。需要注意的是，reader lock 是可重入的，writer lock 是不可重入（包括不可提升 reader lock）的。這正是我說它“優(yōu)秀”的主要原因。

遇到并發(fā)讀寫，如果條件合適，我會用《借 shared_ptr 實現(xiàn)線程安全的 copy-on-write》http://blog.csdn.net/Solstice/archive/2008/11/22/3351751.aspx 介紹的辦法，而不用讀寫鎖。當(dāng)然這不是絕對的。

信號量 (Semaphore)，我沒有遇到過需要使用信號量的情況，無從談及個人經(jīng)驗。

說一句大逆不道的話，如果程序里需要解決如“哲學(xué)家就餐”之類的復(fù)雜 IPC 問題，我認(rèn)為應(yīng)該首先考察幾個設(shè)計，為什么線程之間會有如此復(fù)雜的資源爭搶（一個線程要同時搶到兩個資源，一個資源可以被兩個線程爭奪）？能不能把“想吃飯”這個事情專門交給一個為各位哲學(xué)家分派餐具的線程來做，然后每個哲學(xué)家等在一個簡單的 condition variable 上，到時間了有人通知他去吃飯？從哲學(xué)上說，教科書上的解決方案是平權(quán)，每個哲學(xué)家有自己的線程，自己去拿筷子；我寧愿用集權(quán)的方式，用一個線程專門管餐具的分配，讓其他哲學(xué)家線程拿個號等在食堂門口好了。這樣不損失多少效率，卻讓程序簡單很多。雖然 Windows 的 WaitForMultipleObjects 讓這個問題 trivial 化，在 Linux 下正確模擬 WaitForMultipleObjects 不是普通程序員該干的。

封裝 MutexLock、MutexLockGuard 和 Condition
本節(jié)把前面用到的 MutexLock、MutexLockGuard、Condition classes 的代碼列出來，前面兩個 classes 沒多大難度，后面那個有點意思。

MutexLock 封裝臨界區(qū)（Critical secion），這是一個簡單的資源類，用 RAII 手法 [CCS:13]封裝互斥器的創(chuàng)建與銷毀。臨界區(qū)在 Windows 上是 CRITICAL_SECTION，是可重入的；在 Linux 下是 pthread_mutex_t，默認(rèn)是不可重入的。MutexLock 一般是別的 class 的數(shù)據(jù)成員。

MutexLockGuard 封裝臨界區(qū)的進(jìn)入和退出，即加鎖和解鎖。MutexLockGuard 一般是個棧上對象，它的作用域剛好等于臨界區(qū)域。

這兩個 classes 應(yīng)該能在紙上默寫出來，沒有太多需要解釋的：

01 #include <pthread.h>

02 #include <boost/noncopyable.hpp>

03

04 class MutexLock : boost::noncopyable

05 {

06 public:

07 MutexLock() // 為了節(jié)省版面，單行函數(shù)都沒有正確縮進(jìn)

08 { pthread_mutex_init(&mutex_, NULL); }

09

10 ~MutexLock()

11 { pthread_mutex_destroy(&mutex_); }

12

13 void lock() // 程序一般不主動調(diào)用

14 { pthread_mutex_lock(&mutex_); }

15

16 void unlock() // 程序一般不主動調(diào)用

17 { pthread_mutex_unlock(&mutex_); }

18

19 pthread_mutex_t* getPthreadMutex() // 僅供 Condition 調(diào)用，嚴(yán)禁自己調(diào)用

20 { return &mutex_; }

21

22 private:

23 pthread_mutex_t mutex_;

24 };

25

26 class MutexLockGuard : boost::noncopyable

27 {

28 public:

29 explicit MutexLockGuard(MutexLock& mutex) : mutex_(mutex)

30 { mutex_.lock(); }

31

32 ~MutexLockGuard()

33 { mutex_.unlock(); }

34

35 private:

36 MutexLock& mutex_;

37 };

38

39 #define MutexLockGuard(x) static_assert(false, "missing mutex guard var name")

注意代碼的最后一行定義了一個宏，這個宏的作用是防止程序里出現(xiàn)如下錯誤：

1 void doit()

2 {

3 MutexLockGuard(mutex); // 沒有變量名，產(chǎn)生一個臨時對象又馬上銷毀了，沒有鎖住臨界區(qū)

4 // 正確寫法是 MutexLockGuard lock(mutex);

5

6 // 臨界區(qū)

7 }

這里 MutexLock 沒有提供 trylock() 函數(shù)，因為我沒有用過它，我想不出什么時候程序需要“試著去鎖一鎖”，或許我寫過的代碼太簡單了。

我見過有人把 MutexLockGuard 寫成 template，我沒有這么做是因為它的模板類型參數(shù)只有 MutexLock 一種可能，沒有必要隨意增加靈活性，于是我人肉把模板具現(xiàn)化 (instantiate) 了。此外一種更激進(jìn)的寫法是，把 lock/unlock 放到 private 區(qū)，然后把 Guard 設(shè)為 MutexLock 的 friend，我認(rèn)為在注釋里告知程序員即可，另外 check-in 之前的 code review 也很容易發(fā)現(xiàn)誤用的情況 (grep getPthreadMutex)。

這段代碼沒有達(dá)到工業(yè)強(qiáng)度：a) Mutex 創(chuàng)建為 PTHREAD_MUTEX_DEFAULT 類型，而不是我們預(yù)想的 PTHREAD_MUTEX_NORMAL 類型（實際上這二者很可能是等同的），嚴(yán)格的做法是用 mutexattr 來顯示指定 mutex 的類型。b) 沒有檢查返回值。這里不能用 assert 檢查返回值，因為 assert 在 release build 里是空語句。我們檢查返回值的意義在于防止 ENOMEM 之類的資源不足情況，這一般只可能在負(fù)載很重的產(chǎn)品程序中出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)這種錯誤，程序必須立刻清理現(xiàn)場并主動退出，否則會莫名其妙地崩潰，給事后調(diào)查造成困難。這里我們需要 non-debug 的 assert，或許 google-glog 的 CHECK() 是個不錯的思路。

以上兩點改進(jìn)留作練習(xí)。

Condition class 的實現(xiàn)有點意思。

Pthreads condition variable 允許在 wait() 的時候指定 mutex，但是我想不出什么理由一個 condition variable 會和不同的 mutex 配合使用。Java 的 intrinsic condition 和 Conditon class 都不支持這么做，因此我覺得可以放棄這一靈活性，老老實實一對一好了。相反 boost::thread 的 condition_varianle 是在 wait 的時候指定 mutex，請參觀其同步原語的龐雜設(shè)計：

Concept 有四種 Lockable, TimedLockable, SharedLockable, UpgradeLockable.
Lock 有五六種： lock_guard, unique_lock, shared_lock, upgrade_lock, upgrade_to_unique_lock, scoped_try_lock.
Mutex 有七種：mutex, try_mutex, timed_mutex, recursive_mutex, recursive_try_mutex, recursive_timed_mutex, shared_mutex.
恕我愚鈍，見到 boost::thread 這樣如 Rube Goldberg Machine 一樣“靈活”的庫我只得三揖繞道而行。這些 class 名字也很無厘頭，為什么不老老實實用 reader_writer_lock 這樣的通俗名字呢？非得增加精神負(fù)擔(dān)，自己發(fā)明新名字。我不愿為這樣的靈活性付出代價，寧愿自己做幾個簡簡單單的一看就明白的 classes 來用，這種簡單的幾行代碼的輪子造造也無妨。提供靈活性固然是本事，然而在不需要靈活性的地方把代碼寫死，更需要大智慧。

下面這個 Condition 簡單地封裝了 pthread cond var，用起來也容易，見本節(jié)前面的例子。這里我用 notify/notifyAll 作為函數(shù)名，因為 signal 有別的含義，C++ 里的 signal/slot，C 里的 signal handler 等等。就別 overload 這個術(shù)語了。

01 class Condition : boost::noncopyable

02 {

03 public:

04 Condition(MutexLock& mutex) : mutex_(mutex)

05 { pthread_cond_init(&pcond_, NULL); }

06

07 ~Condition()

08 { pthread_cond_destroy(&pcond_); }

09

10 void wait()

11 { pthread_cond_wait(&pcond_, mutex_.getPthreadMutex()); }

12

13 void notify()

14 { pthread_cond_signal(&pcond_); }

15

16 void notifyAll()

17 { pthread_cond_broadcast(&pcond_); }

18

19 private:

20 MutexLock& mutex_;

21 pthread_cond_t pcond_;

22 };

如果一個 class 要包含 MutexLock 和 Condition，請注意它們的聲明順序和初始化順序，mutex_ 應(yīng)先于 condition_ 構(gòu)造，并作為后者的構(gòu)造參數(shù)：

01 class CountDownLatch

02 {

03 public:

04 CountDownLatch(int count)

05 : count_(count),

06 mutex_(),

07 condition_(mutex_)

08 { }

09

10 private:

11 int count_;

12 MutexLock mutex_; // 順序很重要

13 Condition condition_;

14 };

請允許我再次強(qiáng)調(diào)，雖然本節(jié)花了大量篇幅介紹如何正確使用 mutex 和 condition variable，但并不代表我鼓勵到處使用它們。這兩者都是非常底層的同步原語，主要用來實現(xiàn)更高級的并發(fā)編程工具，一個多線程程序里如果大量使用 mutex 和 condition variable 來同步，基本跟用鉛筆刀鋸大樹（孟巖語）沒啥區(qū)別。

在程序里使用 pthreads 庫有一個額外的好處：分析工具認(rèn)得它們，懂得其語意。線程分析工具如 Intel Thread Checker 和 Valgrind-Helgrind 等能識別 pthreads 調(diào)用，并依據(jù) happens-before 關(guān)系 [Lamport 1978] 分析程序有無 data race。

線程安全的 Singleton 實現(xiàn)
研究 Signleton 的線程安全實現(xiàn)的歷史你會發(fā)現(xiàn)很多有意思的事情，一度人們認(rèn)為 Double checked locking 是王道，兼顧了效率與正確性。后來有神牛指出由于亂序執(zhí)行的影響，DCL 是靠不住的。（這個又讓我想起了 SQL 注入，十年前用字符串拼接出 SQL 語句是 Web 開發(fā)的通行做法，直到有一天有人利用這個漏洞越權(quán)獲得并修改網(wǎng)站數(shù)據(jù)，人們才幡然醒悟，趕緊修補(bǔ)。）Java 開發(fā)者還算幸運，可以借助內(nèi)部靜態(tài)類的裝載來實現(xiàn)。C++ 就比較慘，要么次次鎖，要么 eager initialize、或者動用 memory barrier 這樣的大殺器（ http://www.aristeia.com/Papers/DDJ_Jul_Aug_2004_revised.pdf ）。接下來 Java 5 修訂了內(nèi)存模型，并增強(qiáng)了 volatile 的語義，這下 DCL (with volatile) 又是安全的了。然而 C++ 的內(nèi)存模型還在修訂中，C++ 的 volatile 目前還不能（將來也難說）保證 DCL 的正確性（只在 VS2005+ 上有效）。

其實沒那么麻煩，在實踐中用 pthread once 就行：

01 #include <pthread.h>

02

03 template<typename T>

04 class Singleton : boost::noncopyable

05 {

06 public:

07 static T& instance()

08 {

09 pthread_once(&ponce_, &Singleton::init);

10 return *value_;

11 }

12

13 static void init()

14 {

15 value_ = new T();

16 }

17

18 private:

19 static pthread_once_t ponce_;

20 static T* value_;

21 };

22

23 template<typename T>

24 pthread_once_t Singleton<T>::ponce_ = PTHREAD_ONCE_INIT;

25

26 template<typename T>

27 T* Singleton<T>::value_ = NULL;

上面這個 Singleton 沒有任何花哨的技巧，用 pthread_once_t 來保證 lazy-initialization 的線程安全。使用方法也很簡單：

Foo& foo = Singleton<Foo>::instance();

當(dāng)然，這個 Singleton 沒有考慮對象的銷毀，在服務(wù)器程序里，這不是一個問題，因為當(dāng)程序退出的時候自然就釋放所有資源了（前提是程序里不使用不能由操作系統(tǒng)自動關(guān)閉的資源，比如跨進(jìn)程的 Mutex）。另外，這個 Singleton 只能調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，如果用戶想要指定 T 的構(gòu)造方式，我們可以用模板特化 (template specialization) 技術(shù)來提供一個定制點，這需要引入另一層間接。

歸納
進(jìn)程間通信首選 TCP sockets
線程同步的四項原則
使用互斥器的條件變量的慣用手法 (idiom)，關(guān)鍵是 RAII
用好這幾樣?xùn)|西，基本上能應(yīng)付多線程服務(wù)端開發(fā)的各種場合，只是或許有人會覺得性能沒有發(fā)揮到極致。我認(rèn)為，先把程序?qū)懻�確了，再考慮性能優(yōu)化，這在多線程下任然成立。讓一個正確的程序變快，遠(yuǎn)比“讓一個快的程序變正確”容易得多。

7 總結(jié)
在現(xiàn)代的多核計算背景下，線程是不可避免的。盡管一定程度上可以通過 framework 來屏蔽，讓你感覺像是在寫單線程程序，比如 Java Servlet。了解 under the hood 發(fā)生了什么對于編寫這種程序也會有幫助。

多線程編程是一項重要的個人技能，不能因為它難就本能地排斥，現(xiàn)在的軟件開發(fā)比起 10 年 20 年前已經(jīng)難了不知道多少倍。掌握多線程編程，才能更理智地選擇用還是不用多線程，因為你能預(yù)估多線程實現(xiàn)的難度與收益，在一開始做出正確的選擇。要知道把一個單線程程序改成多線程的，往往比重頭實現(xiàn)一個多線程的程序更難。

掌握同步原語和它們的適用場合時多線程編程的基本功。以我的經(jīng)驗，熟練使用文中提到的同步原語，就能比較容易地編寫線程安全的程序。本文沒有考慮 signal 對多線程編程的影響，Unix 的 signal 在多線程下的行為比較復(fù)雜，一般要靠底層的網(wǎng)絡(luò)庫 (如 Reactor) 加以屏蔽，避免干擾上層應(yīng)用程序的開發(fā)。

通篇來看，“效率”并不是我的主要考慮點，a) TCP 不是效率最高的 IPC，b) 我提倡正確加鎖而不是自己編寫 lock-free 算法（使用原子操作除外）。在程序的復(fù)雜度和性能之前取得平衡，并經(jīng)考慮未來兩三年擴(kuò)容的可能（無論是 CPU 變快、核數(shù)變多，還是機(jī)器數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)升級）。下一篇“多線程編程的反模式”會考察伸縮性方面的常見錯誤，我認(rèn)為在分布式系統(tǒng)中，伸縮性 (scalability) 比單機(jī)的性能優(yōu)化更值得投入精力。

這篇文章記錄了我目前對多線程編程的理解，用文中介紹的手法，我能解決自己面臨的全部多線程編程任務(wù)。如果文章的觀點與您不合，比如您使用了我沒有推薦使用的技術(shù)或手法（共享內(nèi)存、信號量等等），只要您理由充分，但行無妨。

這篇文章本來還有兩節(jié)“多線程編程的反模式”與“多線程的應(yīng)用場景”，考慮到字?jǐn)?shù)已經(jīng)超過一萬了，且聽下回分解吧 :-)

后文預(yù)覽：Sleep 反模式
我認(rèn)為 sleep 只能出現(xiàn)在測試代碼中，比如寫單元測試的時候。（涉及時間的單元測試不那么好寫，短的如一兩秒鐘可以用 sleep，長的如一小時一天得想其他辦法，比如把算法提出來并把時間注入進(jìn)去。）產(chǎn)品代碼中線程的等待可分為兩種：一種是無所事事的時候（要么等在 select/poll/epoll 上。要么等在 condition variable 上，等待 BlockingQueue /CountDownLatch 亦可歸入此類），一種是等著進(jìn)入臨界區(qū)（等在 mutex 上）以便繼續(xù)處理。在程序的正常執(zhí)行中，如果需要等待一段時間，應(yīng)該往 event loop 里注冊一個 timer，然后在 timer 的回調(diào)函數(shù)里接著干活，因為線程是個珍貴的共享資源，不能輕易浪費。如果多線程的安全性和效率要靠代碼主動調(diào)用 sleep 來保證，這是設(shè)計出了問題。等待一個事件發(fā)生，正確的做法是用 select 或 condition variable 或（更理想地）高層同步工具。當(dāng)然，在 GUI 編程中會有主動讓出 CPU 的做法，比如調(diào)用 sleep(0) 來實現(xiàn) yield。

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