多線程程序開發簡介

一、線程 / Threading

線程這個概念大概在1993年后才慢慢流行起來。線程是操作系統進行調度的最小單位，擁有少量的資源，如寄存器和棧。線程的特點是共享地址空間，從而高效地共享數據。多線程的價值是更好地發揮多核處理器的功能。

二、使用線程的幾種方式

1. 流水線

每個線程反復地在數據系列集上執行同一種操作，并把操作結果傳遞給下一步驟的其他線程，這就是流水線方式。

在流水線方式中，數據元素流串行地被一組線程順序處理。每個線程依次在每個元素上執行一個特定的操作，并將結果傳遞給流水線中的下一個線程。

2. 工作組

每個線程在自己的數據上執行操作。工作組中的線程可能執行同樣的操作，也可能執行不同的操作，但是它們一定獨立地執行。

在工作組模式中，數據由一組線程分別獨立處理。通常有兩種模式：SIMD（single instruction, multiple data, 單指令多數據流）和MIMD（multiple instruction, multiple data, 多指令多數據）。SIMD是指所有的工作線程在不同的數據部分上執行相同的操作，MIMD是指工作組中的線程在不同的數據上執行不同的操作。

3. 客戶端 / 服務器

一個客戶端為每一件工作與一個獨立的服務器“訂契約”。通?！坝喥跫s”是匿名的，一個請求通過某種接口提交。

在客戶服務器系統中，客戶端請求服務器對一組數據執行某個操作。服務器獨立地執行操作——客戶端或者等待服務器執行，或者并行地執行，在后面需要時再查找結果。

三、線程的好處

多線程編程具有如下優點：

在多處理器系統中開發程序的并行性。并行性這一優點需要特殊硬件支持，其他優點對硬件無要求。

在等待慢速外設I/O操作結束的同時，程序可以執行其他計算，為程序的并發提供更有效、更自然的開發方式。

一種模塊化編程模型，能清晰地表達程序中獨立事件間的相互關系。

四、線程的代價

1. 計算負荷

線程代碼中的負荷包括由于線程間同步所導致的直接影響。很多算法在某些情況下可避免同步，但在幾乎任何線程代碼中都需要使用某種同步機制，同步很容易損失性能。

計算密集型線程數量若比可用的處理器多，則可能比單線程實現獲得更好的代碼結構，但程序性能也會更糟，這是由于多線程結構在要完成的工作上增加了同步和調度開銷，而可用的資源并沒有變。

2. 編程規則

線程模型基本思想簡單，但編寫能在多線程中良好工作的代碼需要認真思考和規劃，包括同步協議，避免死鎖、競爭和優先級倒置。如果有可用的庫，應盡量使用庫代碼而不是自己編寫。

3. 更難以調試

調試不可避免的改變了事件的時序，這對于串行代碼問題不大，但對于異步代碼卻是致命的。一個線程因調試陷阱而運行得慢了，要跟蹤的問題可能就不會出現，調試無法再現的錯誤是一件讓人頭疼的事情。

五、多線程適用場合

從功能上講，沒有什么是多線程能做到而單線程做不到的，反之亦然。

如果用很少的CPU負載就能讓IO跑滿，或者用很少的IO流量就能讓CPU跑滿，那么多線程就沒有什么優勢。

多線程的適用場景是：提高響應速度，讓IO和“計算”相互重疊，降低延遲。雖然多線程不能提高絕對性能，但能提高平均響應性能。

一個程序要寫成多線程，大致要滿足：

· 有多個CPU可用，單核機器上多線程無性能優勢；

· 線程間有共享數據，即內存中的全局狀態；

· 共享的數據是可以修改的； ·

· 事件的響應有優先級差異，可用專門線程處理高優先級事件，防止優先級反轉；

· 延遲和吞吐量同樣重要，不是簡單的IO密集或CPU密集型程序；

· 利用異步操作，如記日志，無論發日志消息還是寫日志文件，都不應阻塞關鍵路徑；

· 可擴展，一個好的多線程程序應能享受增加CPU數目帶來的好處；

· 多線程能有效地劃分責任與功能，讓每個線程的邏輯簡單，任務單一，便于編碼。

六、多線程常用編程模型

多線程常用編程模型有如下幾種：

· 每個請求創建一個線程，使用阻塞式IO操作（伸縮性不佳）；

· 使用線程池，同樣使用阻塞式IO操作；

· 使用非阻塞IO+IO多路復用；

· Leader/Follower等高級模式；

1. one loop per thread

此模型下，程序里的每個IO線程有一個event loop（用作IO多路復用），用于處理讀寫和定時時間。event loop代表了線程的主循環，需要讓哪個線程干活，就把timer或IO channel注冊到哪個線程的loop里即可。

event loop描述如下：

while there are still events to process: e = get the next event if there is a callback associated with e: call the callback

2. Leader / Follower

此模型會創建一個線程池，每個線程有三種狀態：leading, following, processing。Leader線程負責監聽請求，其他線程作為follower處于等待狀態，當leader收到請求后，首先通知一個follower線程將其提拔為新的leader，然后自己去處理這個請求，處理完畢后加入follower線程等待隊列，等待下次成為leader。

Leader/Follower模式避免了線程動態創建和銷毀的額外開銷，將線程放在池中，無需交換數據，將上下文切換、同步、數據移動和動態內存管理的開銷都降到了最低。

3. 推薦模式

推薦的多線程編程模式：one loop per thread + 線程池。

event loop用作IO多路復用，配合非阻塞IO和定時器；線程池用作計算，可以是任務隊列或生產者消費者隊列。

小結

線程無法給所有編程問題提供最好的解決方案。線程并不總是容易使用，也不能保證總是提供更好的性能。某些問題本身是非并發的，使用線程只能降低程序的性能并使程序復雜。大部分程序有一些本質上的并發，這種情況下，多線程程序通常比串行程序更快、響應性能更好，而且比實現同樣功能的非線程異步程序更易于開發和維護。（張玉遵 | 天存信息）

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