多執行緒：原理分析整理
阿新 • • 發佈：2018-12-16
作業系統的設計，可以歸結為三點：
- （1）以多程序形式，允許多個任務同時執行；
- （2）以多執行緒形式，允許單個任務分成不同的部分執行；
- （3）提供協調機制，一方面防止程序之間和執行緒之間產生衝突，另一方面允許程序之間和執行緒之間共享資源。
多核、多處理器（多CPU）、多執行緒
多核：幾核就是真的有幾個物理核心。CPU的效能主要靠提高核心工作頻率來提高，由於物理限制，不能把頻率無限提高，所以發展出多核心的CPU。即一枚處理器上整合多個計算引擎（核心），共享快取、記憶體、暫存器。A8處理器是一款雙核處理器。多處理器：包含多個CPU，CPU之間共享記憶體、I/O裝置、控制器、外部裝置，整個硬體系統由統一的作業系統控制，在處理器和程式之間實現作業、任務、程式、陣列及其元素各級的全面並行。目前主流的伺服器架構，超級計算機，都是多CPU多核架構。多執行緒：執行緒就是我們為了讓一個程序能夠同時幹多件事情而發明的“分身術”，擁有最小系統資源，共享程序資源的基本排程單位。核是物理的，執行緒是虛擬的，雙核4執行緒，看起來很像4核，但比真實的4核4執行緒慢，卻比雙核雙執行緒快。
程序VS執行緒
程序：
就是進行中的程式（一組指令的有序集合），當一個程式被載入到記憶體中之後就變成了程序（程序=程式+執行）。程序有獨立的地址空間，在保護模式下自己出了問題不會對其他程序產生影響。程序是作業系統分配資源的基本單位。 程序的三種狀態：
- 阻塞態：等待某個事件的完成
- 就緒態：等待系統分配CPU以便執行
- 執行態：佔有CPU正在執行
執行緒：
是程序的一個實體，是CPU排程和分派的基本單位，自己擁有一點執行必不可少的資源（如程式計數器、一組暫存器和堆疊）與同屬程序的其他執行緒共享程序的擁有的全部資源。
程序與執行緒區別
- 程序是cpu資源分配的最小單位，執行緒是cpu排程的最小單位。
- 一個程式至少有一個程序，一個程序至少有一個執行緒。執行緒依賴於程序才能執行
- 執行緒本身擁有很少資源（執行緒識別符號、程式計數器、一組暫存器的值、堆疊），與同屬程序的其他執行緒共享程序擁有的資源（程式碼段、資料段、開啟的檔案、I/O裝置等）。
- 執行緒開銷小，但一個執行緒死掉等於整個程序死掉，不利於資源管理和保護。而程序正好相反，開銷大，但相對執行緒安全。
引入執行緒帶來的主要好處：
以前程序既是資源分配也是排程的最小單位，後來為了更合理的使用cpu(實際上是cpu效能越來越好)，才將資源分配和排程分開，就有了執行緒。執行緒是建立在程序的基礎上的一次程式執行單位。
- 在程序內建立、終止執行緒比建立、終止程序快
- 同一程序內切換執行緒比切換程序要快，尤其是使用者級的執行緒切換。
執行緒對作業系統來說就是一段程式碼+執行時資料（主要是暫存器資料，還有執行緒中與資源相關的資料，比如開啟的檔案控制代碼）。多執行緒實現主要是靠硬體CPU（中央處理器）件來實現的，CPU有一個很重要的特性時間片，每一段獲得CPU的程式碼只能執行一個時間片限定的時間，時間到後CPU就會把正在執行的程式碼暫停，接著發生一箇中斷，然後按照一定的規則選擇另一段程式碼獲得CPU來執行。
時間片設得太短會導致過多的程序切換，降低了CPU效率；而設得太長又可能引起對短的互動請求的響應變差。將時間片設為100毫秒通常是一個比較合理的折衷。
執行緒越多越好嗎
執行緒多了，可以提高程式的執行效率，但並不是越多越好。
- 雖然執行緒本身擁有很少的資源（在iOS中，預設主執行緒1M，子執行緒512K），但是更多的執行緒意味著更多的記憶體開銷。建立執行緒也是需要CPU開銷的。
- 如果執行緒比核的數量多，則同一時間只能執行與核數量相等的執行緒數，執行緒過多會導致頻繁的切換，消耗過多的CPU時間，降低了程式效能。
- 使用多執行緒就可能出現執行緒安全問題，為了解決執行緒安全需要使用鎖，進而可能會出現死鎖問題。過多的執行緒會增加程式設計的複雜性，浪費更多精力去處理多執行緒通訊和資料共享（多執行緒安全、多執行緒死鎖）。