理解 Thread.Sleep 函式

發表於2016-12-18

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 2008-4-7 12:00:00.000,如果我呼叫一下 Thread.Sleep(1000) ,在 2008-4-7 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,所有的程式排成一個佇列。作業系統按照他們的順序,給每個程式分配一段時間,即該程式允許執行的時間。如果在 時間片結束時程式還在執行,則CPU將被剝奪並分配給另一個程式。如果程式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式列表,,當程式用完它的時間片後,它被移到佇列的末尾。

所謂搶佔式作業系統,就是說如果一個程式得到了 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式都是“人品很好”的,會主動退出 CPU 。

在搶佔式作業系統中,假設有若干程式,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式。當程式執行完畢或者自己主動掛起後,作業系統就會重新計算一 次所有程式的總優先順序,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 個程式)。

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、程式有點混亂,其實在Windows原理層面,CPU競爭都是執行緒級的,本文中把這裡的程式、執行緒看成同一個東西就好了。

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