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我们可能经常会用到 Thread.Sleep 函数来使线程挂起一段时间。那么你有没有正确的理解这个函数的用法呢?思考下面这两个问题:
1、假设现在是 2008-4-7 12:00:00.000,如果我调用一下 Thread.Sleep(1000) ,在 2008-4-7 12:00:01.000 的时候,这个线程会 不会被唤醒?
2、某人的代码中用了一句看似莫明其妙的话:Thread.Sleep(0) 。既然是 Sleep 0 毫秒,那么他跟去掉这句代码相比,有啥区别么?

我们先回顾一下操作系统原理。
操作系统中,CPU竞争有很多种策略。Unix系统使用的是时间片算法,而Windows则属于抢占式的。

在时间片算法中,所有的进程排成一个队列。操作系统按照他们的顺序,给每个进程分配一段时间,即该进程允许运行的时间。如果在 时间片结束时进程还在运行,则CPU将被剥夺并分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结束,则CPU当即进行切换。调度程 序所要做的就是维护一张就绪进程列表,,当进程用完它的时间片后,它被移到队列的末尾。

所谓抢占式操作系统,就是说如果一个进程得到了 CPU 时间,除非它自己放弃使用 CPU ,否则将完全霸占 CPU 。因此可以看出,在抢 占式操作系统中,操作系统假设所有的进程都是“人品很好”的,会主动退出 CPU 。

在抢占式操作系统中,假设有若干进程,操作系统会根据他们的优先级、饥饿时间(已经多长时间没有使用过 CPU 了),给他们算出一 个总的优先级来。操作系统就会把 CPU 交给总优先级最高的这个进程。当进程执行完毕或者自己主动挂起后,操作系统就会重新计算一 次所有进程的总优先级,然后再挑一个优先级最高的把 CPU 控制权交给他。

我们用分蛋糕的场景来描述这两种算法。假设有源源不断的蛋糕(源源不断的时间),一副刀叉(一个CPU),10个等待吃蛋糕的人(10 个进程)。

如果是 Unix操作系统来负责分蛋糕,那么他会这样定规矩:每个人上来吃 1 分钟,时间到了换下一个。最后一个人吃完了就再从头开始。于是,不管这10个人是不是优先级不同、饥饿程度不同、饭量不同,每个人上来的时候都可以吃 1 分钟。当然,如果有人本来不太饿,或者饭量小,吃了30秒钟之后就吃饱了,那么他可以跟操作系统说:我已经吃饱了(挂起)。于是操作系统就会让下一个人接着来。

如果是 Windows 操作系统来负责分蛋糕的,那么场面就很有意思了。他会这样定规矩:我会根据你们的优先级、饥饿程度去给你们每个人计算一个优先级。优先级最高的那个人,可以上来吃蛋糕——吃到你不想吃为止。等这个人吃完了,我再重新根据优先级、饥饿程度来计算每个人的优先级,然后再分给优先级最高的那个人。
这样看来,这个场面就有意思了——可能有些人是PPMM,因此具有高优先级,于是她就可以经常来吃蛋糕。可能另外一个人是个丑男,而去很ws,所以优先级特别低,于是好半天了才轮到他一次(因为随着时间的推移,他会越来越饥饿,因此算出来的总优先级就会越来越高,因此总有一天会轮到他的)。而且,如果一不小心让一个大胖子得到了刀叉,因为他饭量大,可能他会霸占着蛋糕连续吃很久很久,导致旁边的人在那里咽口水。。。
而且,还可能会有这种情况出现:操作系统现在计算出来的结果,5号PPMM总优先级最高,而且高出别人一大截。因此就叫5号来吃蛋糕。5号吃了一小会儿,觉得没那么饿了,于是说“我不吃了”(挂起)。因此操作系统就会重新计算所有人的优先级。因为5号刚刚吃过,因此她的饥饿程度变小了,于是总优先级变小了;而其他人因为多等了一会儿,饥饿程度都变大了,所以总优先级也变大了。不过这时候仍然有可能5号的优先级比别的都高,只不过现在只比其他的高一点点——但她仍然是总优先级最高的啊。因此操作系统就会说:5号mm上来吃蛋糕……(5号mm心里郁闷,这不刚吃过嘛……人家要减肥……谁叫你长那么漂亮,获得了那么高的优先级)。

那么,Thread.Sleep 函数是干吗的呢?还用刚才的分蛋糕的场景来描述。上面的场景里面,5号MM在吃了一次蛋糕之后,觉得已经有8分饱了,她觉得在未来的半个小时之内都不想再来吃蛋糕了,那么她就会跟操作系统说:在未来的半个小时之内不要再叫我上来吃蛋糕了。这样,操作系统在随后的半个小时里面重新计算所有人总优先级的时候,就会忽略5号mm。Sleep函数就是干这事的,他告诉操作系统“在未来的多少毫秒内我不参与CPU竞争”。

看完了 Thread.Sleep 的作用,我们再来想想文章开头的两个问题。

对于第一个问题,答案是:不一定。因为你只是告诉操作系统:在未来的1000毫秒内我不想再参与到CPU竞争。那么1000毫秒过去之后,这时候也许另外一个线程正在使用CPU,那么这时候操作系统是不会重新分配CPU的,直到那个线程挂起或结束;况且,即使这个时候恰巧轮到操作系统进行CPU 分配,那么当前线程也不一定就是总优先级最高的那个,CPU还是可能被其他线程抢占去。

与此相似的,Thread有个Resume函数,是用来唤醒挂起的线程的。好像上面所说的一样,这个函数只是“告诉操作系统我从现在起开始参与CPU竞争了”,这个函数的调用并不能马上使得这个线程获得CPU控制权。

对于第二个问题,答案是:有,而且区别很明显。假设我们刚才的分蛋糕场景里面,有另外一个PPMM 7号,她的优先级也非常非常高(因为非常非常漂亮),所以操作系统总是会叫道她来吃蛋糕。而且,7号也非常喜欢吃蛋糕,而且饭量也很大。不过,7号人品很好,她很善良,她没吃几口就会想:如果现在有别人比我更需要吃蛋糕,那么我就让给他。因此,她可以每吃几口就跟操作系统说:我们来重新计算一下所有人的总优先级吧。不过,操作系统不接受这个建议——因为操作系统不提供这个接口。于是7号mm就换了个说法:“在未来的0毫秒之内不要再叫我上来吃蛋糕了”。这个指令操作系统是接受的,于是此时操作系统就会重新计算大家的总优先级——注意这个时候是连7号一起计算的,因为“0毫秒已经过去了”嘛。因此如果没有比7号更需要吃蛋糕的人出现,那么下一次7号还是会被叫上来吃蛋糕。

因此,Thread.Sleep(0)的作用,就是“触发操作系统立刻重新进行一次CPU竞争”。竞争的结果也许是当前线程仍然获得CPU控制权,也许会换成别的线程获得CPU控制权。这也是我们在大循环里面经常会写一句Thread.Sleep(0) ,因为这样就给了其他线程比如Paint线程获得CPU控制权的权力,这样界面就不会假死在那里。

末了说明一下,虽然上面提到说“除非它自己放弃使用 CPU ,否则将完全霸占 CPU”,但这个行为仍然是受到制约的——操作系统会监控你霸占CPU的情况,如果发现某个线程长时间霸占CPU,会强制使这个线程挂起,因此在实际上不会出现“一个线程一直霸占着 CPU 不放”的情况。至于我们的大循环造成程序假死,并不是因为这个线程一直在霸占着CPU。实际上在这段时间操作系统已经进行过多次CPU竞争了,只不过其他线程在获得CPU控制权之后很短时间内马上就退出了,于是就又轮到了这个线程继续执行循环,于是就又用了很久才被操作系统强制挂起。。。因此反应到界面上,看起来就好像这个线程一直在霸占着CPU一样。

末了再说明一下,文中线程、进程有点混乱,其实在Windows原理层面,CPU竞争都是线程级的,本文中把这里的进程、线程看成同一个东西就好了。

posted on 2008-04-07 14:45 没有昵称 阅读(2506) 评论(58)  编辑 收藏 所属分类: .Net FrameworkOperating System Principles

评论

#1楼  2008-04-07 15:01 H2O、winnerzone      
看了,写的不错。
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#2楼  2008-04-07 15:12 JustDI      
很形象...明白了。
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#3楼  2008-04-07 15:18 火火      
讲得很清晰。
但我也有不理解的地方,如果是在unix 下呢,thread.sleep(0),还有意义吗?如果是java, 同一段代码tread.sleep(0) 运行在unix 和windows下运行机制不一样,那所起作用能一样吗?
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#4楼  2008-04-07 15:26 生鱼片      
这个确实不错,原来只知其然,现在知其所以然了
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#5楼 [楼主] 2008-04-07 15:28 没有昵称      
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火火: 讲得很清晰。
但我也有不理解的地方,如果是在unix 下呢,thread.sleep(0),还有意义吗?如果是java, 同一段代码tread.sleep(0) 运行在unix 和windows下运行机制不一样,那所起作用能一样吗?
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Unix不清楚哈,要找熟悉Unix的人来确认一下,^_^
不过因为Unix是分时间片的,因此我猜想,调用Sleep(0)的结果就是交出CPU控制权,等到所有其他进程都执行完之后才会再次轮到这个进程。
当然如果Sleep的参数比较大,则可能会造成下次轮到这个进程的时候还出于“Sleep”期间,因此操作系统跳过了该进程给其他进程分配时间片。
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#6楼  2008-04-07 15:31 ppchen(陈荣林)      
生动的比喻有意思,很好理解 :)
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#7楼 [楼主] 2008-04-07 15:32 没有昵称      
跟抢占式相比,时间片算法很简单,因此可能就没那么多疑惑,^_^
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#8楼  2008-04-07 15:51 uwebs [未注册用户]
浅显易懂的语言,出色的文字表达,受益匪浅
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#9楼  2008-04-07 15:54 Tony Zhou      
看过一篇ms的kb, .net sleep的参数过大会产生一个bug.
http://kbalertz.com/950807/fires-immediately-specifying-large-value.aspx

To 楼主,
那么如果我要求我一个线程在1000毫秒之后必须准确的开始执行一项任务,那该怎么做呢?
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#10楼 [楼主] 2008-04-07 16:04 没有昵称      
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Tony Zhou: 看过一篇ms的kb, .net1.1下 sleep的参数过大会产生一个bug,好像是大于int32最大值。

To 楼主,
那么如果我要求我一个线程在1000毫秒之后必须准确的开始执行一项任务,那该怎么做呢?
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根据CPU竞争机制的算法,这个是不可能的,必须等正在使用CPU的线程退出或挂起才有可能。^_^
不过这个一般都没关系啦,虽然我们在这里讨论的时候看起来轮一次需要很长时间,但这个已经是放大了很多倍的。实际情况下的CPU竞争是很频繁的,比如Unix默认的时间片是10MS。
在Windows中,如果线程的优先级越高,那么在1000ms之后就会在越短的时间内获得CPU控制权。这取决于进程和线程的优先级、以及操作系统中线程的数量等等。
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#11楼  2008-04-07 16:13 丁一      
很不错.. 希望继续.. 支持..
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#12楼  2008-04-07 16:30 Justin      
再配几张PPPLMM的照片就更完美啦
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#13楼 [楼主] 2008-04-07 16:31 没有昵称      
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丁一: 很不错.. 希望继续.. 支持..
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帅哥名字很不错,不怕被老师“罚抄写名字一百遍”,^_^^_^
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#14楼  2008-04-07 16:46 waw [未注册用户]
#Tony Zhou :
实时系统才可能做到这一点,windows和普通的unix/linux都不是实时系统。
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#15楼  2008-04-07 16:57 笑疯^_^      
写的很好
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#16楼  2008-04-07 17:07 非我      
受益匪浅,支持下
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#17楼  2008-04-07 17:19 marktea      
满形象的……
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#18楼  2008-04-07 17:40 xypart [未注册用户]
不错 继续支持。
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#19楼  2008-04-07 17:53 space204 [未注册用户]
很强大,跳出来支持下。
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学习了,很有意思

支持下
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#21楼  2008-04-07 18:01 Think Tips      
呵呵,写的不错,很通俗易懂 ^ ^
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#22楼  2008-04-07 18:49 IamV      
懂了 !
谢谢 支持
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#23楼  2008-04-07 18:58 TT.Net      
很好。收藏
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#24楼  2008-04-07 19:17 Dove.Net      
谢谢,加强了印象
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#25楼  2008-04-07 19:39 侯垒      
很好,对操作系统又进一步的理解.
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#26楼  2008-04-07 19:46 Yannic Yang      
...这种风格很适合网上看 呵呵
一遍就看懂了
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#27楼  2008-04-07 20:30 李战      
好,好,好!收下了!
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#28楼  2008-04-07 20:41 yellowyu      
谢谢楼主,以前看时是说什么上下文切换,晕S好久,谢谢
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#29楼  2008-04-07 21:15 Leem      
PLMM吃蛋糕,有意思
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#30楼  2008-04-07 21:29 Tristan(Guozhijian)      
有个疑问,windows操作系统下,多线程不是并行执行的吗?
假设,我同时开n个线程,CPU占用不超过100%,还需要抢占CPU资源吗?
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呵呵,不错。
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#32楼  2008-04-07 21:37 stern [未注册用户]
谢谢楼主!
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#33楼 [楼主] 2008-04-07 22:09 没有昵称      
@Tristan(Guozhijian)
操作系统的“多任务”是模拟出来的。要知道1个cpu同一时刻只可能执行一句指令。
但是cpu可以一会儿执行一下任务A,一会儿执行一下任务B;然后再执行一下任务A,再执行一下任务B……如果这个切换足够频繁,那么最终的效果就是看起来就好像“同时在做两件事情”一样。
宏观和微观的问题。
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#34楼  2008-04-07 22:30 Tristan(Guozhijian)      
原来如此,受教了,谢谢
看来有必要补一补操作系统的知识呀
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吃到你不想吃为止
这句话好幽默,呵呵
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#36楼  2008-04-08 08:33 天生俪姿      
写得的不错~!
全是比喻的成份。
让人回想起在学校里学操作系统那段时间,当时学的时候感觉枯燥,如果老师能像楼主这样的讲的话,估计全班的男生(好色的哟,包括我在内)就都能听懂了~!而且保证一时半会不会忘记,如果教科书也能这样。。估计这本书是不会做为教科书发行的。
再者 建议楼主可以将这个随笔改个名 大话 Thread.Sleep

引用 Justin
再配几张PPPLMM的照片就更完美啦
这话说的太好了~!嘿嘿~!
另外问一下 WS 是什么意思呢?

总之 受益非浅
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#37楼  2008-04-08 08:33 天生俪姿      
支持楼主继续创作

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#38楼  2008-04-08 09:20 weck.hn [未注册用户]
谢谢LZ,终于知道了sleep(0)的意思了
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#39楼  2008-04-08 09:28 脚印      
写的很形象,一看就能明白
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#40楼  2008-04-08 09:37 风海迷沙      
很不错!
求教博主vb中的Doevents和c#中的Application.Doevents的原理,它们与sleep(0)在底层上有什么区别?
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#41楼 [楼主] 2008-04-08 10:00 没有昵称      
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风海迷沙: 很不错!
求教博主vb中的Doevents和c#中的Application.Doevents的原理,它们与sleep(0)在底层上有什么区别?
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VB不熟悉。Application.Doevents之前也没用到过,.Net平台下我做B/S的多,^_^
看了一下MSDN的备注,他的作用跟Sleep(0)的作用非常像;不过Sleep(0)是针对CPU竞争的,Application.Doevents是针对消息队列的。
至于消息队列,帅哥可以找下VC 的一些入门资料,在VC入门的时候很多教材会有一个“用SDK实现一个WinForm”这种例子,代码不多,看了就可以知道消息队列是咋回事了。或者直接搜索“消息泵”等字眼。了解消息队列之后再看MSDN中这段话,就能完全理解这个函数的用处了。
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#42楼  2008-04-08 10:29 MysticBoy      
拿pPmm举例,让小弟更容易明白,这可是以前一直想搞明白 , 结果看那些大师的书都没看懂, 被你这么一说,完全懂啦。 多谢。
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#43楼  2008-04-08 10:29 风海迷沙      
有点明白了,程序假死与CPU100%也是有区别的。
通常我们执行一个有死循环的程序时,程序窗口界面会变成白色,鼠标移上去显示忙的状态,那是因为程序自身无法响应windows_paint消息事件,无法对界面进行刷新。
而CPU100%时还是可以对程序进行一些操作的,即使有一些后台执行的进程。
不知道有没有说到点上。
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很有意思! 长见识了!
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#45楼 [楼主] 2008-04-08 11:15 没有昵称      
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风海迷沙: 有点明白了,程序假死与CPU100%也是有区别的。
通常我们执行一个有死循环的程序时,程序窗口界面会变成白色,鼠标移上去显示忙的状态,那是因为程序自身无法响应windows_paint消息事件,无法对界面进行刷新。
而CPU100%时还是可以对程序进行一些操作的,即使有一些后台执行的进程。
不知道有没有说到点上。
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嗯,没错。假死也有不同情况。有可能是进程中的主要线程被挂起或者其他原因,无法正常的处理消息队列了,这种情况一般CPU使用率还是正常的,其他程序也运行的很好,唯独这个程序的UI不行了。也有可能是某个线程长时间占用CPU,比如大循环,这样系统中的其他线程就没办法得到足够的CPU资源,于是整个操作系统都会变得反应迟钝。这时候CPU使用率很高,因为一直被这个循环使用着。

遇到某个线程在执行死循环,我们仍然有机会使用任务管理器结束掉占用CPU使用率高的进程,原因就是这个时候虽然线程从来没有主动挂起或Sleep过,但是操作系统仍然会强制挂起他。这样“任务管理器”所拥有的线程才有机会获取CPU控制权从而杀死陷入死循环进程。

其实这里也可以看出,“任务管理器”是拥有更高级别的,因为这时候整个系统都反映迟钝了、其他程序都无论怎么点都没反映了,但我们还是能够打开任务管理器结束进程。看一下系统的“csrss”进程,他的优先级是“高”哦,会很容易获得cpu控制权。如果想试验,你可以写个程序把优先级设置为“实时”然后写个循环,再去试任务管理器,就不灵了,^_^
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#46楼  2008-04-08 12:24 Bright Zhang      
多谢楼主,很生动。
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#47楼  2008-04-08 12:26 天生俪姿      
貌似 又要提提 死锁的机理了。

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#48楼  2008-04-08 12:50 Klesh Wong      
很好,写得很好
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#49楼  2008-04-08 12:50 fox23      
讲得不错,其他平台的不知道是什么情况。
难得如此生动的文章了,有老外的文章风格! 哈哈~
支持一个~
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#50楼  2008-04-08 12:52 剁椒鱼头      
很生动
受教了
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写的很好!
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#52楼  2008-04-08 14:04 nesta [未注册用户]
不错,受益很大
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#53楼  2008-04-08 17:36 狼Robot      
顶一个。
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#54楼  2008-04-09 00:13 flyingchen      
好文!
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#55楼  2008-04-09 10:31 NingDev [未注册用户]
I follow you! 谢谢楼主!
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问个问题,很多时候程序造成假死的情况,但是cpu占用率还是没有满100%,甚至50%都不到,我就奇怪了,既然cpu还有大量空闲,那为什么你的图形界面还是无法获得足够的cpu时间进行界面响应呢?

cpu的100%到底是什么概念?
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#57楼  2008-04-17 17:07 晟晟      
形象深动,受益匪浅,支持

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#58楼  2008-05-26 08:55 zsea [未注册用户]
写得很好,你是老师哇?
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