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Sleep(0)的妙用

Thread.Sleep(0) 表示掛起0毫秒,你可能覺得沒作用,你要寫Thread.Sleep(1000) 就有感覺了。似乎毫無意義。

MSDN的說明:指定零 (0) 以指示應掛起此執行緒以使其他等待執行緒能夠執行。

Thread.Sleep(0) 並非是真的要執行緒掛起0毫秒,意義在於這次呼叫Thread.Sleep(0)的當前執行緒確實的被凍結了一下,讓其他執行緒有機會優先執行。Thread.Sleep(0) 是你的執行緒暫時放棄cpu,也就是釋放一些未用的時間片給其他執行緒或程序使用,就相當於一個讓位動作。

Thread th = new Thread(new ThreadStart(MainForm.StartSplash));
th.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;
th.Start();
Thread.Sleep(0);


base.SetStyle(ControlStyles.OptimizedDoubleBuffer | ControlStyles.AllPaintingInWmPaint | ControlStyles.UserPaint, true);
this.Initialize();

線上程中,呼叫sleep(0)可以釋放cpu時間,讓執行緒馬上重新回到就緒佇列而非等待佇列,sleep(0)釋放當前執行緒所剩餘的時間片(如果有剩餘的話),這樣可以讓作業系統切換其他執行緒來執行,提升效率。

我們可能經常會用到 Thread.Sleep 函式來使執行緒掛起一段時間。那麼你有沒有正確的理解這個函式的用法呢?

思考下面這兩個問題:

  1. 假設現在是 2017-4-7 12:00:00.000,如果我呼叫一下 Thread.Sleep(1000) ,在 2017-4-7 12:00:01.000 的時候,這個執行緒會 不會被喚醒?
  2. 某人的程式碼中用了一句看似莫明其妙的話:Thread.Sleep(0) 。既然是 Sleep 0 毫秒,那麼他跟去掉這句程式碼相比,有啥區別麼?

我們先回顧一下作業系統原理。

作業系統中,CPU競爭有很多種策略。Unix系統使用的是時間片演算法,而Windows則屬於搶佔式的。
在時間片演算法中,所有的程序排成一個佇列。作業系統按照他們的順序,給每個程序分配一段時間,即該程序允許執行的時間。如果在 時間片結束時程序還在執行,則CPU將被剝奪並分配給另一個程序。如果程序在時間片結束前阻塞或結束,則CPU當即進行切換。排程程 序所要做的就是維護一張就緒程序列表,,當程序用完它的時間片後,它被移到佇列的末尾。
所謂搶佔式作業系統,就是說如果一個程序得到了 CPU 時間,除非它自己放棄使用 CPU ,否則將完全霸佔 CPU 。因此可以看出,在搶 佔式作業系統中,作業系統假設所有的程序都是“人品很好”的,會主動退出 CPU 。在搶佔式作業系統中,假設有若干程序,作業系統會根據他們的優先順序、飢餓時間(已經多長時間沒有使用過 CPU 了),給他們算出一 個總的優先順序來。作業系統就會把 CPU 交給總優先順序最高的這個程序。當程序執行完畢或者自己主動掛起後,作業系統就會重新計算一 次所有程序的總優先順序,然後再挑一個優先順序最高的把 CPU 控制權交給他。
我們用分蛋糕的場景來描述這兩種演算法。假設有源源不斷的蛋糕(源源不斷的時間),一副刀叉(一個CPU),10個等待吃蛋糕的人(10 個程序)。
如果是 Unix作業系統來負責分蛋糕,那麼他會這樣定規矩:每個人上來吃 1 分鐘,時間到了換下一個。最後一個人吃完了就再從頭開始。於是,不管這10個人是不是優先順序不同、飢餓程度不同、飯量不同,每個人上來的時候都可以吃 1 分鐘。當然,如果有人本來不太餓,或者飯量小,吃了30秒鐘之後就吃飽了,那麼他可以跟作業系統說:我已經吃飽了(掛起)。於是作業系統就會讓下一個人接著來。
如果是 Windows 作業系統來負責分蛋糕的,那麼場面就很有意思了。他會這樣定規矩:我會根據你們的優先順序、飢餓程度去給你們每個人計算一個優先順序。優先順序最高的那個人,可以上來吃蛋糕——吃到你不想吃為止。等這個人吃完了,我再重新根據優先順序、飢餓程度來計算每個人的優先順序,然後再分給優先順序最高的那個人。

這樣看來,這個場面就有意思了——可能有些人是PPMM,因此具有高優先順序,於是她就可以經常來吃蛋糕。可能另外一個人是個醜男,而去很ws,所以優先順序特別低,於是好半天了才輪到他一次(因為隨著時間的推移,他會越來越飢餓,因此算出來的總優先順序就會越來越高,因此總有一天會輪到他的)。而且,如果一不小心讓一個大胖子得到了刀叉,因為他飯量大,可能他會霸佔著蛋糕連續吃很久很久,導致旁邊的人在那裡咽口水。。。

而且,還可能會有這種情況出現:作業系統現在計算出來的結果,5號PPMM總優先順序最高,而且高出別人一大截。因此就叫5號來吃蛋糕。5號吃了一小會兒,覺得沒那麼餓了,於是說“我不吃了”(掛起)。因此作業系統就會重新計算所有人的優先順序。因為5號剛剛吃過,因此她的飢餓程度變小了,於是總優先順序變小了;而其他人因為多等了一會兒,飢餓程度都變大了,所以總優先順序也變大了。不過這時候仍然有可能5號的優先順序比別的都高,只不過現在只比其他的高一點點——但她仍然是總優先順序最高的啊。因此作業系統就會說:5號mm上來吃蛋糕……(5號mm心裡鬱悶,這不剛吃過嘛……人家要減肥……誰叫你長那麼漂亮,獲得了那麼高的優先順序)。

那麼,Thread.Sleep 函式是幹嗎的呢?還用剛才的分蛋糕的場景來描述。上面的場景裡面,5號MM在吃了一次蛋糕之後,覺得已經有8分飽了,她覺得在未來的半個小時之內都不想再來吃蛋糕了,那麼她就會跟作業系統說:在未來的半個小時之內不要再叫我上來吃蛋糕了。這樣,作業系統在隨後的半個小時裡面重新計算所有人總優先順序的時候,就會忽略5號mm。Sleep函式就是幹這事的,他告訴作業系統“在未來的多少毫秒內我不參與CPU競爭”。
看完了 Thread.Sleep 的作用,我們再來想想文章開頭的兩個問題。
對於第一個問題,答案是:不一定。因為你只是告訴作業系統:在未來的1000毫秒內我不想再參與到CPU競爭。那麼1000毫秒過去之後,這時候也許另外一個執行緒正在使用CPU,那麼這時候作業系統是不會重新分配CPU的,直到那個執行緒掛起或結束;況且,即使這個時候恰巧輪到作業系統進行CPU 分配,那麼當前執行緒也不一定就是總優先順序最高的那個,CPU還是可能被其他執行緒搶佔去。與此相似的,Thread有個Resume函式,是用來喚醒掛起的執行緒的。好像上面所說的一樣,這個函式只是“告訴作業系統我從現在起開始參與CPU競爭了”,這個函式的呼叫並不能馬上使得這個執行緒獲得CPU控制權。
對於第二個問題,答案是:有,而且區別很明顯。假設我們剛才的分蛋糕場景裡面,有另外一個PPMM 7號,她的優先順序也非常非常高(因為非常非常漂亮),所以作業系統總是會叫道她來吃蛋糕。而且,7號也非常喜歡吃蛋糕,而且飯量也很大。不過,7號人品很好,她很善良,她沒吃幾口就會想:如果現在有別人比我更需要吃蛋糕,那麼我就讓給他。因此,她可以每吃幾口就跟作業系統說:我們來重新計算一下所有人的總優先順序吧。不過,作業系統不接受這個建議——因為作業系統不提供這個介面。於是7號mm就換了個說法:“在未來的0毫秒之內不要再叫我上來吃蛋糕了”。這個指令作業系統是接受的,於是此時作業系統就會重新計算大家的總優先順序——注意這個時候是連7號一起計算的,因為“0毫秒已經過去了”嘛。因此如果沒有比7號更需要吃蛋糕的人出現,那麼下一次7號還是會被叫上來吃蛋糕。
因此,Thread.Sleep(0)的作用,就是“觸發作業系統立刻重新進行一次CPU競爭”。競爭的結果也許是當前執行緒仍然獲得CPU控制權,也許會換成別的執行緒獲得CPU控制權。這也是我們在大迴圈裡面經常會寫一句Thread.Sleep(0) ,因為這樣就給了其他執行緒比如Paint執行緒獲得CPU控制權的權力,這樣介面就不會假死在那裡。
末了說明一下,雖然上面提到說“除非它自己放棄使用 CPU ,否則將完全霸佔 CPU”,但這個行為仍然是受到制約的——作業系統會監控你霸佔CPU的情況,如果發現某個執行緒長時間霸佔CPU,會強制使這個執行緒掛起,因此在實際上不會出現“一個執行緒一直霸佔著 CPU 不放”的情況。至於我們的大迴圈造成程式假死,並不是因為這個執行緒一直在霸佔著CPU。實際上在這段時間作業系統已經進行過多次CPU競爭了,只不過其他執行緒在獲得CPU控制權之後很短時間內馬上就退出了,於是就又輪到了這個執行緒繼續執行迴圈,於是就又用了很久才被作業系統強制掛起。。。因此反應到介面上,看起來就好像這個執行緒一直在霸佔著CPU一樣。
末了再說明一下,文中執行緒、程序有點混亂,其實在Windows原理層面,CPU競爭都是執行緒級的,本文中把這裡的程序、執行緒看成同一個東西就好了。


問題:主動的放棄執行讓系統排程的意義是什麼呢?

為了等待資源、事件,那麼你需要進入等待佇列。如果你已經擁有執行所需資源,卻讓系統排程,這是資源的浪費,並且排程也是要浪費資源的

解釋:對的,你要等待資源,你確實需要排隊,假如AB兩個執行緒為合作關係,A執行緒處理一些原始資料,資料處理到一定程度,交給B執行緒處理,在A處理原始資料的時候,B也要做一些準備工作,所以,AB是併發的,但是B做好準備之後,需要等待A處理好那些資料,接過A的資料,繼續處理,因此,這個等待,如果A不使用訊號或者等待條件來通知B的話,那麼B必須一直輪詢,檢視A是否已完成,B執行緒所做的這個輪詢是否會一直佔用CPU來做無用的迴圈檢視呢?因此B這個時候佔用的cpu時間片做的是無用功,因此,這裡sleep(0)就有作用,當B檢視A沒處理完資料的時候,B馬上sleep(0)交出B的時間片,讓作業系統排程A來執行(假設只有AB兩個執行緒),那麼這個時候,A就會得到充分的時間來處理它的資料,這個不是一個應用了嗎?我猜測pthread_conn_wait()內部阻塞就是使用這個機制

thread_fun()
{
    prepare_word.....


    while (1)
    {
        if (A is finish)
            break;
        else
            sleep(0); //這裡會交出B的時間片,下一次排程B的時候,接著執行這個迴圈
    }


    process A's data
}


沒有sleep(0)版:
thread_fun()
{
    prepare_word.....


    while (1)  //這裡會一直浪費CPU時間做死迴圈的輪詢,無用功
    {
        if (A is finish)
            break;
    }


    process A's data
}

如果說是輪詢,那它就是一種高效、節約、謙虛的輪詢,如果沒有sleep(0),那麼B執行緒可能會執行上萬次的while迴圈,直至它的時間片消耗完,做這些都是無用功,而是用了sleep(0)後,B執行緒每一次執行就只做一次while迴圈就把剩餘的時間片讓出給A,能讓A得到更多的執行次數,利用率更高

總結:

線上程沒退出之前,執行緒有三個狀態,就緒態,執行態,等待態。sleep(n)之所以在n秒內不會參與CPU競爭,是因為,當執行緒呼叫sleep(n)的時候,執行緒是由執行態轉入等待態,執行緒被放入等待佇列中,等待定時器n秒後的中斷事件,當到達n秒計時後,執行緒才重新由等待態轉入就緒態,被放入就緒佇列中,等待佇列中的執行緒是不參與cpu競爭的,只有就緒佇列中的執行緒才會參與cpu競爭,所謂的cpu排程,就是根據一定的演算法(優先順序,FIFO等。。。),從就緒佇列中選擇一個執行緒來分配cpu時間。

而sleep(0)之所以馬上回去參與cpu競爭,是因為呼叫sleep(0)後,因為0的原因,執行緒直接回到就緒佇列,而非進入等待佇列,只要進入就緒佇列,那麼它就參與cpu競爭。