多线程漫谈

Posted 2021-04-21 码砖杂役

什么是多线程

线程是程序执行流的最小单元，也称为轻量级的进程。

一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC)，寄存器集合和堆栈组成，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。

多线程技术实现了多个执行流并发执行的效果。

你可以把新建一个线程理解为一个婴儿诞生，也可以理解为新招聘一个工人，新生的婴儿或者新招的工人，都有独立的行为（执行流）。

什么是执行流

执行流就是指令执行序列。计算机IP寄存器保存下一条要执行的指令，执行完该指令，IP寄存器会更新为下一条要执行的指令，程序执行过程中，IP寄存器会不停的更新指令，IP寄存器中的指令序列形成了程序的执行轨迹，该执行轨迹就叫执行流。

以c语言的入门程序为例：

int main()

{

    printf("hello world\n");

    return 0;

}

执行该程序，main是入口，进来之后，调用printf往屏幕打印输出"hello world"，然后返回0，程序正常退出。从main函数到printf，再返回main函数，最后正常退出，这个执行过程，就是一个执行流。

进程和线程

线程比进程更轻量级，操作系统调度的单位是线程。

并发和并行

并发(Concurrency)是指多个执行流交错执行。注意：单cpu上执行的多线程可以是并发的，却不能是并行的，所以多线程不受限于cpu数量，单cpu机器也可以运行多线程程序。

并行(Parallellism)是指多个执行流同时执行。必须是时间上的同时，在同一时间点，两个执行流同时执行，齐头并进，所以单cpu机器上执行的程序不能并行。

多线程和CPU的关系

多线程能够利用多cpu多核的优势，提升计算能力。

单cpu依然能够运行多线程程序，且单cpu也有可能通过多线程设计获得性能提升。多线程不受限于cpu数量。

如果多线程程序运行在多cpu多核机器上，那它将真正的并行执行。如果运行在单cpu上，那它将交错执行，从逻辑上来看，他们都是并发执行的。

举一个例子，比如一个人负责做2个菜，蒸排骨和水煮鱼。

方法一，分成3个任务，先洗（排骨和鱼），再切（排骨和鱼），最后做（蒸肉和煮鱼），依次完成，这样的话，做2个菜花费的时间等于洗、切、煮的时间累加。

方法二，先洗排骨，然后切排骨，最后蒸排骨，在蒸排骨的同时，洗鱼和切鱼，最后煮鱼。

虽然只有一个人（相当于一个cpu），但是方法二利用蒸排骨的时间间隙，去洗鱼切鱼，节省了时间。

洗、切、煮，都是一个个任务（执行流），但是一个task不一定要做完，进行中可以切换到另一个任务，比如洗完排骨（还没洗鱼），便可以切换去切鱼，这就是任务切换（context swap），几个任务交错执行，充分利用人，节省了时间，提高了效率。

做菜的例子主要是因为蒸排骨比较费时间，而人不必一直等着，可以去做别的，对应到程序上，如果执行到一个慢速调用或者被阻塞，则cpu可以切换到另一个任务，继续执行，这样便能更好的利用cpu。

当然，如果有几个人（多cpu）一起做菜，可以更快做完2个菜，因为可以分开洗排骨洗鱼，做到真正并行。

多CPU、多核、超线程

多cpu对应多个cpu插槽(socket)，这个比较容易理解。

一个cpu上可以集成多个计算核心（Core），一般是双数，比如4核、8核。

而超线程(Hyper Threading简称HT)是intel首先提出来的技术，利用特殊硬件指令，把一个物理内核模拟成两个逻辑内核，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高了CPU的运行速度。

从软件的观点来看，不管多cpu、还是多核、还是超线程，对于程序来说，只有逻辑cpu，这是一种软件抽象，所以程序并不关心硬件上的差异。比如一台计算机有2个cpu，每个cpu 4核，支持超线程，那就是2*4*2=16个逻辑cpu。

操作系统会给应用程序提供16个逻辑cpu的抽象，应用程序最多可以有16个执行流并行。

未完待续

后面会讲用户态-内核态、同步、锁、死锁、原子操作、生产者消费者模式，actor模式，消息机制等等。