什么是线程竞争？

Question

有人能简单地解释一下什么是线程争用吗？

我查了谷歌，但似乎找不到简单明了的解释。

- Tony The Lion

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请写下您对此的含糊想法，这样我们就可以看出您可能存在哪些偏差，或者您的理解是否正确。请将其翻译成中文，不改变原意，不加解释，不返回其他内容。 - James Black

Answer 1

很多答案似乎都集中在锁竞争上，但锁并不是唯一可能发生争用的资源。争用指当两个线程试图以某种方式访问同一资源或相关资源时，至少有一个争用线程的运行速度比如果其他线程未运行则更慢。

最明显的争用例子是在锁上。如果线程A获取了锁，而线程B想要获取相同的锁，那么线程B将必须等待直到线程A释放锁。

现在，这个问题具体取决于平台，但即使它从来没有等待另一个线程释放锁，该线程也可能会经历减速！这是因为锁保护某些数据，而数据本身也经常会被争用。

例如，考虑一个线程获取锁、修改对象，然后释放锁并执行其他操作。如果有两个线程这样做，即使它们从不为锁而战，线程也可能比只有一个线程运行时慢得多。

为什么？假设每个线程在现代x86 CPU的自己核心上运行且核心不共享L2缓存。对于只有一个线程，对象大部分时间可能都在L2缓存中。如果两个线程都在运行，每当一个线程修改对象时，另一个线程将发现数据不在其L2缓存中，因为另一个CPU使缓存行无效。例如，在Pentium D上，这将导致代码运行在FSB速度，比L2缓存速度慢得多。

由于即使锁本身没有被争用也可能发生争用，因此在没有锁的情况下，争用也可能会发生。例如，假设你的CPU支持32位变量的原子递增。如果一个线程不断地递增和递减一个变量，该变量将大部分时间保留在缓存中。如果两个线程这样做，它们的缓存将争夺拥有该变量的内存，并且许多访问将变慢，因为缓存一致性协议操作来确保每个核心拥有缓存行的所有权。

具有讽刺意味的是，锁通常会减少竞争。为什么呢？因为没有锁，两个线程可能会在同一个对象或集合上操作，并引起很多竞争（例如，无锁队列）。锁将倾向于取消争用的线程，允许非争用的线程运行。如果线程A持有锁，而线程B也想要相同的锁，实现可以运行线程C。如果线程C不需要该锁，则可以暂时避免线程A和B之间的未来竞争（当然，这假设存在其他线程可以运行。如果系统整体只能通过运行争用线程来取得实用进展，则无济于事）。

- David Schwartz

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为了明确一点，两个核心争夺的两个变量甚至不需要是同一个变量，只要它们存储在同一个缓存行中就会引起争用。填充结构和/或将结构对齐到内存可以帮助避免这种争用形式。 - Rob_before_edits

@David，请帮忙更详细地解释你回答中的最后一段。 - lowLatency

请提出一个关于此事的问题。 - David Schwartz

@Pacerier 主要使用C ++。 - David Schwartz

我不是很确定。我可能简化了情景，实际情况是有几个其他线程处理telnet连接，其中一个线程通过telnet处理一些guile输入。因此，在我之前的解释中，T2是一个guile线程，等待评估其输入（创建Hypergraph查询），而T1是一个C++线程（在Hypergraph对象上执行读取查询）。还有一些额外的短暂guile线程从C++代码中创建。 - Misgevolution

Answer 2

线程争用本质上是一个条件，其中一个线程正在等待由另一个线程持有的锁/对象。因此，这个等待线程在另一个线程解锁该特定对象之前不能使用该对象。

- keyboardP

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这个答案是不完整的（和大多数其他答案一样）。虽然锁是可能存在争用的一种类型，但它远远不是唯一可能存在争用的东西。非锁定资源也可能存在争用。（例如，如果两个线程不断原子地递增相同的整数，它们可能会由于缓存弹球而经历争用。没有涉及锁。） - David Schwartz

在像CPython中存在全局解释器锁（GIL）的情况下，其中线程必须始终获取GIL，因此在同一进程中运行的多个线程默认情况下会争用资源。 - Asclepius

我认为您已经用死锁的术语来解释它，但是它与死锁非常不同。 - Harshit Gupta

Answer 3

来自这里：

当线程等待一个资源无法立即使用时，就会发生争用（contention）；这会减缓代码的执行速度，但随着时间的推移可能会消失。

当一个线程等待第二个线程锁定的资源，而第二个线程又等待第一个线程锁定的资源时，就会发生死锁（deadlock）。多个线程可能会涉及到死锁。死锁永远不会自动解决，通常会导致整个应用程序或遇到死锁的部分停止运行。

- Jon B

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这也解释了线程争用和死锁之间的区别。 - Sankalp

Answer 4

我认为OP应该对问题的背景进行一些澄清 - 我能想到两个答案（虽然我相信这个列表还会有其他的）：

1. 如果您在谈论线程争用的“概念”以及它如何在应用程序中出现，我推荐参考@DavidSchwartz上面详细的回答。

2. 还有“.NET CLR锁和线程:总争用次数”性能计数器。从此计数器的PerfMon描述中获取，定义为:

此计数器显示CLR中的线程尝试未成功地获得托管锁的总次数。可以通过许多方式获取托管锁；通过C#中的“lock”语句或调用System.Monitor.Enter或使用方法ImplOptions.Synchronized自定义属性。

...我相信其他操作系统和应用程序框架也会有类似的内容。

- Dave Black

Answer 5

对我而言，争用（Contention）是指两个或更多线程竞争共享资源，这些资源可能是锁、计数器等。竞争意味着“谁先获得它”。线程越多，争用就越多。对资源的访问越频繁，争用就越多。

- Maciej

Answer 6

您有两个线程，分别是线程A和线程B，同时还有对象C。

线程A当前正在访问对象C，并已在该对象上放置了锁。 线程B需要访问对象C，但在A释放对象C的锁之前无法这样做。

- Aaron M

Answer 7

另一个词可能是并发。它只是两个或更多线程尝试使用相同资源的想法。

- Mark Wilkins

Answer 8

线程争用也受I/O操作的影响。例如，当一个线程等待文件读取时，可以看作是一种争用。使用I/O完成端口作为解决方案。

- amilamad

Answer 9

想像一下以下情景。你正在准备明天的期末考试，感到有点饿。于是，你给你的弟弟10元钱，让他为你买披萨。在这种情况下，你是主线程，你的弟弟是子线程。一旦你下了订单，你和你的弟弟就同时进行自己的工作（即学习和买披萨）。现在，我们有两种情况需要考虑。首先，你的弟弟带回了你的披萨并终止了操作，而此时你正在学习。在这种情况下，你可以停止学习，享受披萨。其次，你完成了学习并且睡觉（也就是你今天分配的工作——学习明天的期末考试——已经完成），但在披萨可用之前。当然，你不能睡觉；否则，你就没有机会吃披萨了。你要做的就是等待你的弟弟把披萨拿回来。

正如例子中所示，这两种情况说明了竞争关系的含义。

- Soner from The Ottoman Empire

Answer 10

当一个线程试图获取一个已经被其他线程占用的对象的锁时，就会发生锁争用。在该对象被释放之前，该线程将被阻塞（换句话说，它处于等待状态）。在某些情况下，这可能导致所谓的串行执行，从而对应用程序产生负面影响。 来自dotTrace documentation。

- AndreyT