线程池项目(1)

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并发与并行

定义

• 并发：多个线程在单核上轮流占用 CPU 时间片，物理上串行执行，但由于时间片较短，看起来像是同时执行。
• 并行：多个线程在多核或多 CPU 上真正同时执行。

IO 密集型与 CPU 密集型

1. IO 密集型程序

• 核心特征：程序大部分时间等待 IO 操作（网络、文件、数据库等）。
• 运行状态：CPU 长期空闲，等待 IO 完成。
• 适用结论：适合使用多线程。
• 原理：IO 阻塞时，CPU 可以调度其他线程执行，充分利用空闲时间。

2. CPU 密集型程序

• 核心特征：程序持续进行计算操作，几乎无 IO 等待。
• 运行状态：CPU 长期满负荷运行。
• 适用结论：
  • 多核 CPU：适合多线程，可利用多核并行加速。
  • 单核 CPU：单线程更优。
• 原因：多线程带来频繁的上下文切换开销，反而降低性能。

线程调度与上下文切换

核心概念

• 上下文切换：操作系统暂停当前线程，保存其执行状态，再加载下一个线程的状态。
• 调度开销：上下文切换会消耗 CPU 时间，可能导致缓存失效，从而影响性能。

关键结论

• IO 密集型程序：多线程收益大，适合使用。
• CPU 密集型程序：
  • 单核 CPU：单线程最优。
  • 多核 CPU：线程数不宜过多，建议接近 CPU 核心数，避免过度调度。

创建过多线程的危害与线程池

线程过多的 4 大危害

1. 创建/销毁成本高：频繁的创建销毁消耗大量资源，降低执行效率。
2. 内存占用大：每个线程有独立栈空间，大量线程会耗尽系统内存。
3. 上下文切换开销大：线程切换需要保存/恢复状态，过多线程可能导致系统空转。
4. 系统负载失控：大量线程同时唤醒会导致瞬间负载过高，甚至系统崩溃。

核心结论

• CPU 密集型任务：线程数应接近 CPU 核心数，避免无效切换。
• IO 密集型任务：线程数可适当高于核心数，但仍需控制。

线程池的优势

• 核心问题：线程创建销毁消耗性能，实时创建销毁降低系统性能。
• 线程池的解决方案：
  • 预热：启动时预先创建线程，存入池中等待任务。
  • 复用：任务到来时直接复用线程，避免临时创建。
  • 归还：任务完成后，将线程归还线程池，而非销毁。

线程池的两种核心模式

1.Fixed 模式（固定线程池）

• 核心特征：线程池中的线程数量固定。
• 适用场景：对性能稳定性要求高、任务执行时间相对固定的场景。

2.Cached 模式（缓存线程池/动态线程池）

• 核心特征：线程池中的线程数量根据任务动态增长。
• 适用场景：业务量波动大、短时间内大量突发任务。

线程互斥（解决资源竞争）

• 目标：同一时间仅允许一个线程访问共享资源，避免数据竞争。
• 常用工具：
  • 互斥锁（mutex）：通过加锁/解锁实现独占访问。
  • 原子类型（atomic）：无锁原子操作，性能更高。

线程通信（解决线程协作）

• 目标：线程间按约定顺序执行，实现生产者-消费者等模型。
• 常用工具：
  • 条件变量（condition_variable）：实现等待-通知机制，通常与互斥锁一起使用。
  • 信号量（semaphore）：通过计数器控制并发访问，实现限流/同步。

核心基础概念

1.竞态条件

• 定义：多线程环境下，代码执行结果依赖于线程调度顺序，导致不一致的结果。
• 本质原因：共享资源的非原子操作被线程切换打断。

2.临界区

• 定义：访问共享资源的代码段，是竞态条件的根源。

3.重入函数

• 可重入函数：多个线程或中断安全调用，不会引发数据竞争或逻辑错误。
  • 要求：不使用共享/全局状态，仅依赖传入参数和栈上的局部变量。
• 不可重入函数：在调用未完成时再次调用会导致数据混乱。
  • 常见原因：使用全局变量、静态变量等。

线程同步工具

1.条件变量 std::condition_variable

• 作用：让线程等待某个条件成立后继续执行。
• 适用场景：生产者-消费者问题。
• 核心 API：
  • wait(lock, predicate)：等待条件成立。
  • notify_one()：唤醒一个等待线程。
  • notify_all()：唤醒所有等待线程。

2.信号量 std::counting_semaphore / binary_semaphore（C++20）

• 作用：通过计数器控制有多少线程同时访问资源。
• 核心 API：
  • acquire()：申请一个名额。
  • release()：释放一个名额。
  • try_acquire()：非阻塞方式尝试获取名额。

线程的两种状态