多线程是什么

小白 问答 2020-06-12 14:43:48 阅读(...)

多线程是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。具有多线程能力的计算机因有硬件支持而能够在同一时间执行多于一个线程,进而提升整体处理性能。具有这种能力的系统包括对称多处理机、多核心处理器以及芯片级多处理或同时多线程处理器。

多线程(英语:multithreading),是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。具有多线程能力的计算机因有硬件支持而能够在同一时间执行多于一个线程,进而提升整体处理性能。具有这种能力的系统包括对称多处理机、多核处理器以及芯片级多处理(Chip-level multithreading)或同时多线程(Simultaneous multithreading)处理器。在一个程序中,这些独立运行的程序片段叫作“线程”(Thread),利用它编程的概念就叫作“多线程处理(Multithreading)”。

CPU

定义

在计算机编程中,一个基本的概念就是同时对多个任务加以控制。许多程序设计问题都要求程序能够停下手

头的工作,改为处理其他一些问题,再返回主进程。可以通过多种途径达到这个目的。最开始的时候,那些掌握机器低级语言的程序员编写一些“中断服务例程”,主进程的暂停是通过硬件级的中断实现的。尽管这是一种有用的方法,但编出的程序很难移植,由此造成了另一类的代价高昂问题。中断对那些实时性很强的任务来说是很有必要的。但对于其他许多问题,只要求将问题划分进入独立运行的程序片断中,使整个程序能更迅速地响应用户的请求。

最开始,线程只是用于分配单个处理器的处理时间的一种工具。但假如操作系统本身支持多个处理器,那么每个线程都可分配给一个不同的处理器,真正进入“并行运算”状态。从程序设计语言的角度看,多线程操作最有价值的特性之一就是程序员不必关心到底使用了多少个处理器。程序在逻辑意义上被分割为数个线程;假如机器本身安装了多个处理器,那么程序会运行得更快,毋需作出任何特殊的调校。根据前面的论述,大家可能感觉线程处理非常简单。但必须注意一个问题:共享资源!如果有多个线程同时运行,而且它们试图访问相同的资源,就会遇到一个问题。举个例子来说,两个线程不能将信息同时发送给一台打印机。为解决这个问题,对那些可共享的资源来说(比如打印机),它们在使用期间必须进入锁定状态。所以一个线程可将资源锁定,在完成了它的任务后,再解开(释放)这个锁,使其他线程可以接着使用同样的资源。

多线程是为了同步完成多项任务,不是为了提高运行效率,而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候实现的。

最简单的比喻多线程就像火车的每一节车厢,而进程则是火车。车厢离开火车是无法跑动的,同理火车也不可能只有一节车厢。多线程的出现就是为了提高效率。同时它的出现也带来了一些问题。

用途

在大多数研究领域内是要求线程调度程序要能够快速选择其中一个已就绪线程去运行,而不是一个一个运行而降低效率。所以要让调度程序去分辨线程的优先级是很重要的。而线程调度程序可能是以硬件、软件,或是软硬件并存的形式存在。

而另一个研究领域则是要研究何种事件(高速缓存失败、内部运行连续性、使用 DMA 等)会造成线程切换。

如果多线程的方案会复制所有软件可见的状态,包括特许的控制登录、TLB 等,那就能够让虚拟机去创造各式线程。这样子就允许在相同的处理器中每个线程跑各自的操作系统。换句话说,如果只有存储了用户模式的状态,就能够让相同的裸晶大小的芯片在一段时间内处理更多的线程。

硬件支持

多线程硬件支持的目标,即支持快速进行就绪态线程、执行态线程间的切换。为达成这个目标,需要硬件实现保存、恢复程序看得见的寄存器以及一些对程序执行有影响的控制寄存器(如程序计数器 PC、程序状态寄存器 SR)。从一个线程切换到另一个线程对硬件来讲意味着保存当前线程的一组寄存器的值,并恢复即将执行线程的一组寄存器的值。

新增这些功能的硬件有以下优势:

线程切换能够在一个 CPU 周期内完成(有些硬件甚至没有开销,上个周期在运行线程 A,下个周期就已在运行线程 B)。

每个线程看起来就像是独自运行的,即没有与其他线程共享硬件资源。对操作系统来说,通常每个线程都被视做独占一个处理器,这样将简化系统软件的设计(尤其是对于支持多线程的操作系统)。

为了在各个线程间有效率的进行切换,每个线程需要保存自己的一组寄存器集(register set)。有些硬件设计成每个处理器核心具有两组寄存器文件,以实现在多个线程间快速切换。

进程与线程

英文:Process、Thread

每个正在系统上运行的程序都是一个进程。每个进程包含一到多个线程。进程也可能是整个程序或者是部分程序的动态执行。线程是一组指令的集合,或者是程序的特殊段,它可以在程序里独立执行。也可以把它理解为代码运行的上下文。所以线程基本上是轻量级的进程,它负责在单个程序里执行多任务。通常由操作系统负责多个线程的调度和执行。

线程是程序中一个单一的顺序控制流程.在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作,称为多线程。

线程和进程的区别在于,子进程和父进程有不同的代码和数据空间,而多个线程则共享数据空间,每个线程有自己的执行堆栈和程序计数器为其执行上下文.多线程主要是为了节约 CPU 时间,发挥利用,根据具体情况而定. 线程的运行中需要使用计算机的内存资源和 CPU。

使用 Runnable
class MyThread{
public static void main(String[] args){
new Thread(new Runnable() {
@Override    public void run() {
//写上线程需要执行的代码
}
}).start();
}
}

这里推荐使用 Thread 类来实现多线程。

优势

一个采用了多线程技术的应用程序可以更好地利用系统资源。其主要优势在于充分利用了 CPU 的空闲时间片,可以用尽可能少的时间来对用户的要求做出响应,使得进程的整体运行效率得到较大提高,同时增强了应用程序的灵活性。更为重要的是,由于同一进程的所有线程是共享同一内存,所以不需要特殊的数据传送机制,不需要建立共享存储区或共享文件,从而使得不同任务之间的协调操作与运行、数据的交互、资源的分配等问题更加易于解决。

线程同步

在多线程应用中,考虑不同线程之间的数据同步和防止死锁。当两个或多个线程之间同时等待对方释放资源的时候就会形成线程之间的死锁。为了防止死锁的发生,需要通过同步来实现线程安全。在 Visual Basic 中提供了三种方法来完成线程的同步。在 Java 中可用synchronized 关键字。

代码域同步

使用 Monitor 类可以同步静态/实例化的方法的全部代码或者部分代码段。

手工同步:

可以使用不同的同步类(诸如 WaitHandle, Mutex, ReaderWriterLock, ManualResetEvent, AutoResetEvent 和 Interlocked 等)创建自己的同步机制。这种同步方式要求你自己手动的为不同的域和方法同步,这种同步方式也可以用于进程间的同步和解除由于对共享资源的等待而造成的死锁。

优点

·使用线程可以把占据时间长的程序中的任务放到后台去处理。

·用户界面可以更加吸引人,这样比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理,可以弹出一个进度条来显示处理的进度。

·程序的运行速度可能加快。

·在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等,线程就比较有用了。在这种情况下可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。

缺点

·如果有大量的线程,会影响性能,因为操作系统需要在它们之间切换。

·更多的线程需要更多的内存空间。

·线程可能会给程序带来更多“bug”,因此要小心使用。

·线程的中止需要考虑其对程序运行的影响。

·通常块模型数据是在多个线程间共享的,需要防止线程死锁情况的发生。

一些线程模型的背景

可以重点讨论一下在 Win32 环境中常用的一些模型。

·单线程模型

在这种线程模型中,一个进程中只能有一个线程,剩下的进程必须等待当前的线程执行完。这种模型的缺点在于系统完成一个很小的任务都必须占用很长的时间。

·块线程模型(单线程多块模型 STA)

这种模型里,一个程序里可能会包含多个执行的线程。在这里,每个线程被分为进程里一个单独的块。每个进程可以含有多个块,可以共享多个块中的数据。程序规定了每个块中线程的执行时间。所有的请求通过 Windows 消息队列进行串行化,这样保证了每个时刻只能访问一个块,因而只有一个单独的进程可以在某一个时刻得到执行。这种模型比单线程模型的好处在于,可以响应同一时刻的多个用户请求的任务而不只是单个用户请求。但它的性能还不是很好,因为它使用了串行化的线程模型,任务是一个接一个得到执行的。

·多线程块模型(自由线程块模型)

多线程块模型(MTA)在每个进程里只有一个块而不是多个块。这单个块控制着多个线程而不是单个线程。这里不需要消息队列,因为所有的线程都是相同的块的一个部分,并且可以共享。这样的程序比单线程模型和 STA 的执行速度都要快,因为降低了系统的负载,因而可以优化来减少系统 idle 的时间。这些应用程序一般比较复杂,因为程序员必须提供线程同步以保证线程不会并发的请求相同的资源,因而导致竞争情况的发生。这里有必要提供一个锁机制。但是这样也许会导致系统死锁的发生。

进程和线程都是操作系统的概念。进程是应用程序的执行实例,每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成,进程在运行过程中创建的资源随着进程的终止而被销毁,所使用的系统资源在进程终止时被释放或关闭。

线程是进程内部的一个执行单元。系统创建好进程后,实际上就启动执行了该进程的主执行线程,主执行线程以函数地址形式,比如说 main 或 WinMain 函数,将程序的启动点提供给 Windows 系统。主执行线程终止了,进程也就随之终止。

每一个进程至少有一个主执行线程,它无需由用户去主动创建,是由系统自动创建的。用户根据需要在应用程序中创建其它线程,多个线程并发地运行于同一个进程中。一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中,共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源,所以线程间的通讯非常方便,多线程技术的应用也较为广泛。多线程可以实现并行处理,避免了某项任务长时间占用 CPU 时间。要说明的一点是,到 2015 年为止,大多数的计算机都是单处理器(CPU)的,为了运行所有这些线程,操作系统为每个独立线程安排一些 CPU 时间,操作系统以轮换方式向线程提供时间片,这就给人一种假象,好象这些线程都在同时运行。由此可见,如果两个非常活跃的线程为了抢夺对 CPU 的控制权,在线程切换时会消耗很多的 CPU 资源,反而会降低系统的性能。这一点在多线程编程时应该注意。C++ 11 标准中,STL 类库也实现了多线程的类 std::thread,使得多线程编程更加方便。

Java

Java 对多线程的支持是非常强大的,他屏蔽掉了许多的技术细节,让我们可以轻松的开发多线程的应用程序。

Java 里面实现多线程,有 2 个方法:

使用 Thread 类
class MyThread{

public static void main(String[] args){

new Thread(){

public void run(){

//写上线程需要执行的代码

}

}.start();

}

}

NET Framework

在本质上和结构来说,.NET 是一个多线程的环境。有两种主要的多线程方法是.NET 所提倡的:使用 ThreadStart 来开始你自己的进程,直接的(使用 ThreadPool.QueueUserWorkItem)或者间接的(比如 Stream.BeginRead,或者调用 BeginInvoke)使用 ThreadPool 类。一般来说,你可以”手动”为长时间运行的任务创建一个新的线程,另外对于短时间运行的任务尤其是经常需要开始的那些,进程池是一个非常好的选择。进程池可以同时运行多个任务,还可以使用框架类。对于资源紧缺需要进行同步的情况来说,它可以限制某一时刻只允许一个线程访问资源。这种情况可以视为给线程实现了锁机制。线程的基类是 System.Threading。所有线程通过 CLI 来进行管理。

·创建线程:

创建一个新的 Thread 对象的实例。Thread 的构造函数接受一个参数:

Thread DummyThread = new Thread( new ThreadStart(dummyFunction) );

·执行线程:

使用 Threading 命名空间里的 start 方法来运行线程:

DummyThread.Start ();

·组合线程:

经常会出现需要组合多个线程的情况,就是当某个线程需要其他线程的结束来完成自己的任务。假设 DummyThread 必须等待 DummyPriorityThread 来完成自己的任务,只需要这样做:

DummyPriorityThread.Join() ;

·暂停线程:

使得线程暂停给定的秒

DummyPriorityThread.Sleep(<Time in Second>);

·中止线程:

如果需要中止线程可以使用如下的代码:

DummyPriorityThread.Abort();

·同步

经常会遇到需要在线程间进行同步的情况,下面的代码给出了一些方法:
usingSystem;
usingSystem.Threading;

namespaceSynchronizationThreadsExample
{
classSynchronizationThreadsExample
{
privateintcounter=0;
staticvoidMain()
{
SynchronizationThreadsExampleSTE=newSynchronizationThreadsExample();
STE.ThreadFunction();
}

publicvoidThreadFunction()
{
ThreadDummyThread=newThread(newThreadStart(SomeFunction));
DummyThread.IsBackground=true;
DummyThread.Start();
Console.WriteLine(“Startedthread”);
ThreadDummyPriorityThread=newThread(newThreadStart(SomeFunction));
DummyPriorityThread.IsBackground=true;
//=”SecondThread”;
DummyPriorityThread.Start();
Console.WriteLine(“Startedthread”);
DummyThread.Join();
DummyPriorityThread.Join();
}

publicvoidSomeFunction()
{
try
{
while(counter<10)
{
inttempCounter=counter;
tempCounter++;
Thread.Sleep(1);
counter=tempCounter;
Console.WriteLine(“Thread.SomeFunction:”+Thread.+counter);
}
}
catch(ThreadInterruptedExceptionEx)
{
Console.WriteLine(“Exceptioninthread”+Thread.);
}
finally
{
Console.WriteLine(“ThreadExiting.”+Thread);
}
}

}
}

·使用 Interlock

C#提供了一个特殊的类叫做 interlocked,就是提供了锁机制的实现,可以加入如下的代码实现锁机制:

Interlocked.SomeFunction (ref counter);

·使用锁

这是为了锁定代码关键区域以进行同步,锁定代码如下:

lock (this){ Some statements ;}

·使用 Monitor

当有需要进行线程管理的时候可以使用:

Monitor.Enter(this);

其他也有一些方法进行管理,这里就不一一提及了。

线程的缺点

线程自然也有缺点,以下列出了一些:

·如果有大量的线程,会影响性能,因为操作系统需要在他们之间切换;

·更多的线程需要更多的内存空间;

·线程会给程序带来更多的 bug,因此要小心使用;

·线程的中止需要考虑其对程序运行的影响;

·通常块模型数据是在多个线程间共享的,需要一个合适的锁系统替换掉数据共享;

C++ 11

ISO C++ 11 标准在 STL 中提供了 std::thread 类,因此多线程变得非常容易。
#include <thread>

using namespace std;

void threadFunc(){
//这里写上线程的内容
}

int main(){
thread t(threadFunc);
//启动线程
t.join();
//等待线程运行完毕
return 0;
}

HT 定义

超线程(HT)是英特尔所研发的一种技术,于 2002 年发布。超线程的英文是HT技术,全名为Hyper-Threading,中文又名超线程。超线程技术原先只应用于 Xeon 处理器中,当时称为 Super-Threading。之后陆续应用在 Pentium 4 中,将技术主流化。早期代号为 Jackson。

特点

通过此技术,英特尔成为第一间公司实现在一个实体处理器中,提供两个逻辑线程。之后的 Pentium D 纵使不支援超线程技术,但就集成了两个实体核心,所以仍会见到两个逻辑线程。超线程的未来发展,是提升处理器的逻辑线程,英特尔有计划将 8 核心的处理器,加以配合超线程技术,使之成为 16 个逻辑线程的产品。

英特尔表示,超线程技术让(P4)处理器增加 5%的裸晶面积,就可以换来 15%~30%的效能提升。但实际上,在某些程式或未对多执行绪编译的程式而言,超线程反而会降低效能。除此之外,超线程技术亦要操作系统的配合,普通支援多处理器技术的系统亦未必能充分发挥该技术。例如 Windows 2000,英特尔并不鼓励使用者在此系统中利用超线程。原先不支援多核心的 Windows XPHome Edition 却支援超线程技术。

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