第2章 多线程

从第2章的核心问题开始

线程提高的是并发调度能力，不会自动提高正确性。游戏服务器应先决定状态由哪个线程拥有，再选择消息传递或最小同步原语。全局变量让共享变得容易，却把竞态、可见性和死锁扩散到所有路径。

官方目录命中与来源边界

本页明确覆盖：线程基础、进程、线程、线程的应用、Windows下的多线程处理、随机矩形、多工模拟程序、线程间的通信与同步、全局变量、事件、临界区、互斥、信号量、互锁访问、可等待定时器、线程死锁。这些名称来自 2007 年版公开书目。公开目录没有披露的细分内容会标为教学展开；现代 API、安全要求和部署方法用于帮助今天的读者验证原机制，不代表原书在 2007 年已经使用这些实现。

核心概念与因果关系

、、、、。这些概念不能只停留在定义上：每个概念都要落到输入、内部状态、输出和失败证据。读者应能指出哪个模块拥有状态、哪个边界拒绝非法输入、哪个指标证明系统没有把成本推给下游。

进程与线程

进程提供隔离的地址空间和故障边界；线程共享进程资源，切换成本更低，但任何未受控写入都可能破坏同一地址空间。

验证时固定软件版本、配置和输入规模，先保存正常轨迹，再只改变一个边界条件。最终结果相同并不代表过程正确；必须比较阶段状态、队列水位、错误分类和恢复动作。

应用不是越多越好

网络接收、逻辑更新、数据库写入和日志可以并行，但线程数量必须由阻塞特征、核心数和队列背压决定。

验证时固定软件版本、配置和输入规模，先保存正常轨迹，再只改变一个边界条件。最终结果相同并不代表过程正确；必须比较阶段状态、队列水位、错误分类和恢复动作。

同步原语有不同语义

事件表达状态通知，临界区保护进程内短临界段，互斥可跨进程，信号量限制并发额度，互锁适合单值原子更新，定时器触发计划工作。

验证时固定软件版本、配置和输入规模，先保存正常轨迹，再只改变一个边界条件。最终结果相同并不代表过程正确；必须比较阶段状态、队列水位、错误分类和恢复动作。

全局变量是风险放大器

共享可变全局状态隐藏所有权。更稳妥的方案是单线程拥有状态，其他线程通过有界队列提交命令。

验证时固定软件版本、配置和输入规模，先保存正常轨迹，再只改变一个边界条件。最终结果相同并不代表过程正确；必须比较阶段状态、队列水位、错误分类和恢复动作。

死锁是等待图的环

统一锁顺序、缩短临界区、禁止持锁阻塞 I/O，并在测试中制造反向获取，才能证明等待图不形成闭环。

验证时固定软件版本、配置和输入规模，先保存正常轨迹，再只改变一个边界条件。最终结果相同并不代表过程正确；必须比较阶段状态、队列水位、错误分类和恢复动作。

六阶段证据链

可复现实验

让四个生产线程向一个逻辑线程提交玩家移动命令。先预测直接修改全局玩家表与有界队列两种方案的差异，再记录命令总数、最终状态、锁等待、队列高水位和关闭耗时。随后故意反向获取两把锁，验证看门狗能定位等待环。

最小实现

class CommandQueue {
 public:
  bool push(Command command) {
    std::unique_lock lock(mutex_);
    notFull_.wait(lock, [&] { return closed_ || queue_.size() < capacity_; });
    if (closed_) return false;
    queue_.push_back(std::move(command));
    notEmpty_.notify_one();
    return true;
  }
 private:
  std::mutex mutex_;
  std::condition_variable notEmpty_, notFull_;
  std::deque<Command> queue_;
};

边界处理

void transfer(Player& from, Player& to, int amount) {
  std::scoped_lock lock(from.walletMutex, to.walletMutex);
  if (from.gold < amount) throw InsufficientFunds{};
  from.gold -= amount;
  to.gold += amount;
}

证据契约

struct ConcurrencyEvidence {
  std::uint64_t acceptedCommands;
  std::uint64_t appliedCommands;
  std::size_t queueHighWatermark;
  std::chrono::microseconds maxLockWait;
  bool cleanShutdown;
};

实现代码只是实验的一部分。每次运行还要记录构建版本、配置摘要、样本类型、输入规模、首偏离节点、恢复动作和最终决策。若无法用相同输入重放，结论不能进入交付清单。

两个必须主动制造的失败

验收矩阵

本页签发不变量是：每个可变游戏状态只有一个写入所有者；关闭阶段不丢已确认命令；锁依赖图无环且队列达到上限时会施加背压。 任何演示、截图或单次成功都不能替代它。

练习

小结

• 进程与线程：进程提供隔离的地址空间和故障边界；线程共享进程资源，切换成本更低，但任何未受控写入都可能破坏同一地址空间。
• 应用不是越多越好：网络接收、逻辑更新、数据库写入和日志可以并行，但线程数量必须由阻塞特征、核心数和队列背压决定。
• 同步原语有不同语义：事件表达状态通知，临界区保护进程内短临界段，互斥可跨进程，信号量限制并发额度，互锁适合单值原子更新，定时器触发计划工作。
• 全局变量是风险放大器：共享可变全局状态隐藏所有权。更稳妥的方案是单线程拥有状态，其他线程通过有界队列提交命令。
• 已用正常、边界和失败样本验证“每个可变游戏状态只有一个写入所有者；关闭阶段不丢已确认命令；锁依赖图无环且队列达到上限时会施加背压。”。
• 已把公开目录、历史语境和现代教学展开分开记录。

术语表

来源与改编边界