多執行緒程式開發簡介

2022-08-20 22:00:20 字數 2904 閱讀 4572

執行緒這個概念大概在2023年後才慢慢流行起來。執行緒是作業系統進行排程的最小單位,擁有少量的資源,如暫存器和棧。執行緒的特點是共享位址空間,從而高效地共享資料。多執行緒的價值是更好地發揮多核處理器的功能。

每個執行緒反覆地在資料系列集上執行同一種操作,並把操作結果傳遞給下一步驟的其他執行緒,這就是流水線方式

在流水線方式中,資料元素流序列地被一組執行緒順序處理。每個執行緒依次在每個元素上執行乙個特定的操作,並將結果傳遞給流水線中的下乙個執行緒。

每個執行緒在自己的資料上執行操作。工作組中的執行緒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。

工作組模式中,資料由一組執行緒分別獨立處理。通常有兩種模式:simd(single instruction, multiple data, 單指令多資料流)和mimd(multiple instruction, multiple data, 多指令多資料)。simd是指所有的工作執行緒在不同的資料部分上執行相同的操作,mimd是指工作組中的執行緒在不同的資料上執行不同的操作。

乙個客戶端為每一件工作與乙個獨立的伺服器「訂契約」。通常「訂契約」是匿名的,乙個請求通過某種介面提交。

在客戶伺服器系統中,客戶端請求伺服器對一組資料執行某個操作。伺服器獨立地執行操作——客戶端或者等待伺服器執行,或者並行地執行,在後面需要時再查詢結果。

多執行緒程式設計具有如下優點:

執行緒**中的負荷包括由於執行緒間同步所導致的直接影響。很多演算法在某些情況下可避免同步,但在幾乎任何執行緒**中都需要使用某種同步機制,同步很容易損失效能。

計算密集型執行緒數量若比可用的處理器多,則可能比單執行緒實現獲得更好的**結構,但程式效能也會更糟,這是由於多執行緒結構在要完成的工作上增加了同步和排程開銷,而可用的資源並沒有變。

執行緒模型基本思想簡單,但編寫能在多執行緒中良好工作的**需要認真思考和規劃,包括同步協議,避免死鎖、競爭和優先順序倒置。如果有可用的庫,應盡量使用庫**而不是自己編寫。

除錯不可避免的改變了事件的時序,這對於序列**問題不大,但對於非同步**卻是致命的。乙個執行緒因除錯陷阱而執行得慢了,要跟蹤的問題可能就不會出現,除錯無法再現的錯誤是一件讓人頭疼的事情。

從功能上講,沒有什麼是多執行緒能做到而單執行緒做不到的,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,那麼多執行緒就沒有什麼優勢。

多執行緒的適用場景是:提高響應速度,讓io和「計算」相互重疊,降低延遲。雖然多執行緒不能提高絕對效能,但能提高平均響應效能。

乙個程式要寫成多執行緒,大致要滿足:

·有多個cpu可用,單核機器上多執行緒無效能優勢;·共享的資料是可以修改的; ··延遲和吞吐量同樣重要,不是簡單的io密集或cpu密集型程式;·可擴充套件,乙個好的多執行緒程式應能享受增加cpu數目帶來的好處;

·多執行緒能有效地劃分責任與功能,讓每個執行緒的邏輯簡單,任務單一,便於編碼。

多執行緒常用程式設計模型有如下幾種:

·每個請求建立乙個執行緒,使用阻塞式io操作(伸縮性不佳);·使用非阻塞io+io多路復用;

·leader/follower等高階模式;

此模型下,程式裡的每個io執行緒有乙個event loop(用作io多路復用),用於處理讀寫和定時時間。event loop代表了執行緒的主迴圈,需要讓哪個執行緒幹活,就把timer或io channel註冊到哪個執行緒的loop裡即可。

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

此模型會建立乙個執行緒池,每個執行緒有三種狀態:leading, following, processing。leader執行緒負責監聽請求,其他執行緒作為follower處於等待狀態,當leader收到請求後,首先通知乙個follower執行緒將其提拔為新的leader,然後自己去處理這個請求,處理完畢後加入follower執行緒等待佇列,等待下次成為leader。

leader/follower模式避免了執行緒動態建立和銷毀的額外開銷,將執行緒放在池中,無需交換資料,將上下文切換、同步、資料移動和動態記憶體管理的開銷都降到了最低。

event loop用作io多路復用,配合非阻塞io和定時器;執行緒池用作計算,可以是任務佇列或生產者消費者佇列。

執行緒無法給所有程式設計問題提供最好的解決方案。執行緒並不總是容易使用,也不能保證總是提供更好的效能。某些問題本身是非併發的,使用執行緒只能降低程式的效能並使程式複雜。大部分程式有一些本質上的併發,這種情況下,多執行緒程式通常比序列程式更快、響應效能更好,而且比實現同樣功能的非執行緒非同步程式更易於開發和維護。

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