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多執行緒之IO密集型和CPU密集型

CPU密集型(CPU-bound)

CPU密集型也叫計算密集型,指的是系統的硬碟、記憶體效能相對CPU要好很多,此時,系統運作大部分的狀況是CPU Loading 100%,CPU要讀/寫I/O(硬碟/記憶體),I/O在很短的時間就可以完成,而CPU還有許多運算要處理,CPU Loading很高。

在多重程式系統中,大部份時間用來做計算、邏輯判斷等CPU動作的程式稱之CPU bound。例如一個計算圓周率至小數點一千位以下的程式,在執行的過程當中絕大部份時間用在三角函式和開根號的計算,便是屬於CPU bound的程式。

CPU bound的程式一般而言CPU佔用率相當高。這可能是因為任務本身不太需要訪問I/O裝置,也可能是因為程式是多執行緒實現因此遮蔽掉了等待I/O的時間。

IO密集型(I/O bound)

IO密集型指的是系統的CPU效能相對硬碟、記憶體要好很多,此時,系統運作,大部分的狀況是CPU在等I/O (硬碟/記憶體) 的讀/寫操作,此時CPU Loading並不高。

I/O bound的程式一般在達到效能極限時,CPU佔用率仍然較低。這可能是因為任務本身需要大量I/O操作,而pipeline做得不是很好,沒有充分利用處理器能力。

CPU密集型 vs IO密集型

我們可以把任務分為計算密集型和IO密集型。

計算密集型任務的特點是要進行大量的計算,消耗CPU資源,比如計算圓周率、對視訊進行高清解碼等等,全靠CPU的運算能力。這種計算密集型任務雖然也可以用多工完成,但是任務越多,花在任務切換的時間就越多,CPU執行任務的效率就越低,所以,要最高效地利用CPU,計算密集型任務同時進行的數量應當等於CPU的核心數。

計算密集型任務由於主要消耗CPU資源,因此,程式碼執行效率至關重要。Python這樣的指令碼語言執行效率很低,完全不適合計算密集型任務。對於計算密集型任務,最好用C語言編寫。

第二種任務的型別是IO密集型,涉及到網路、磁碟IO的任務都是IO密集型任務,這類任務的特點是CPU消耗很少,任務的大部分時間都在等待IO操作完成(因為IO的速度遠遠低於CPU和記憶體的速度)。對於IO密集型任務,任務越多,CPU效率越高,但也有一個限度。常見的大部分任務都是IO密集型任務,比如Web應用。

IO密集型任務執行期間,99%的時間都花在IO上,花在CPU上的時間很少,因此,用執行速度極快的C語言替換用Python這樣執行速度極低的指令碼語言,完全無法提升執行效率。對於IO密集型任務,最合適的語言就是開發效率最高(程式碼量最少)的語言,指令碼語言是首選,C語言最差。

總之,計算密集型程式適合C語言多執行緒,I/O密集型適合指令碼語言開發的多執行緒。