忙碌等待

忙碌等待

在軟體工程中,忙碌等待是一種以進程反覆檢查一個條件是否為真為根本的技術,條件可能為鍵盤輸入或某個鎖是否可用。忙碌等待也可以用來產生一個任意的時間延遲,若系統沒有提供生成特定時間長度的方法,則需要用到忙碌等待。不同的計算機處理器速度差異很大,特別是一些處理器設計為可能根據外部因素(例如作業系統上的負載)動態調整速率。因此,忙碌等待這種時間延遲技術容易產生不可預知、甚至不一致的結果,除非實現代碼來確定處理器執行“什麼都不做”循環的速度,或者循環代碼明確檢查實時時鐘。

簡介

忙碌等待是進程反覆檢查一個條件是否為真的技術,如鍵盤輸入是否可用。忙碌等待也可以用來生成一個任意的時間延遲,這一技術對於一無法產生特定時間長度方法的系統是必要的。從計算機間的傳輸速度和計算機處理器速度差異很大,特別是一些處理器根據外部因素設計動態調整速度,如作業系統上的負載。因此,忙碌等待延遲技術往往產生不可預知的甚至不一致的結果,除非編程來確定如何確定處理器可以執行“無所作為”的速度。

在某些情況下,忙碌等待是有效的策略,特別是實現自旋鎖設計的作業系統上運行對稱多處理。不過一般來說,忙碌等待是應該避免的反模式,處理器時間應該用來執行其他任務,而不是浪費在無用的活動上。

對於多核CPU,忙碌等待的優點是不切換執行緒,避免了由此付出的代價。因此一些多執行緒同步機制不使用切換到核心態的同步對象,而是以用戶態的自旋鎖或其派生機制(如輕型讀寫鎖)來做同步,付出的時間複雜度相差3個數量級。忙碌等待可使用一些機制來降低CPU功耗,如Windows系統中調用YieldProcessor,實際上是調用了SIMD指令_mm_pause。

C語言的示例程式

以下的C語言程式示範二個執行緒共享一個全域變數 i,第一個執行緒用忙碌等待來確認變數 i的值是否有改變。

上述的程式也可以用C11標準中的條件變數達成。

忙碌等待的替代品

大多數作業系統和執行緒庫提供了各種各樣可以阻止事件過程的系統調用,如鎖獲取、計時器變化,I/O可用性或信號。使用系統調用來產生延遲會有最簡單、最有效、公平且沒有競爭危害的結果。一個調用會檢查、通知事件等待的調度程式,插入一個適用的記憶障礙,也可以在返回之前執行所請求的I / O操作。當調用者被堵住時,其他進程可以使用CPU。調度器有實現優先權繼承所需的信息或其他機制,來避免資源衰竭的問題。

在大部分作業系統中,也可以在忙碌等待中加入延遲函式(sleep()),以減少忙碌等待浪費的CPU資源。這可以讓執行緒暫停指定的時間,在此期間執行緒不會浪費CPU時間。如果循環檢查只是檢查一些簡單的事務,將大部分時間花費在延遲函式,則不太會浪費太多CPU時間。

若程式永遠不會結束(如作業系統),可以通過無條件跳轉(例如NASM語法中的jmp $)實現無限次的忙碌等待。CPU會永遠無條件跳轉到程式正在運行到的位置。因此可以用以下的程式取代忙碌等待:

適當的使用忙碌等待

一些底層編程中可能需要用到需忙碌等待。對每個硬體設備(尤其是偶爾才使用到的硬體)設定中斷可能不切實際甚至不可能。有時需要將某種的控制數據寫入硬體,在寫入後獲取設備狀態,但狀態可能要在寫入後數個機器周期後才有效。程式設計師可以調用作業系統延遲函式,不過這樣做可能要耗費更多的時鐘周,此時就可以使用忙碌等待。

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