2、为什么需要更多的线程

上次谈到了什么是线程,那么秉持存在既有价值的原则,我们探讨一下为什么需要线程,再附带一些关键性的小问题。


在早期时候,计算机能力比较弱,强调功能性而非易用性,直白点,就是只要能干成,总比我干的快,其他都无所谓。但是随着时代发展,对计算机的依赖越来越多,那么要求也越来越多。如果你现在电脑动不动就卡,鼠标转圈圈,你估计就受不了了,更严重的,动不动电脑就要自动重启,估计你要砸电脑了。但是刚开始,计算机的确是会经常自动重启的,因为计算机那个时候不分用户和操作系统,落到底层就是,计算机所需要的资源,跟应用程度所需要的资源是放在一起的。上一节也说过这个情况。这是不安全的,如果应用程序有问题,会导致整个操作系统受牵连。


你可以认为为了解决这个问题,首先让操作系统使用的空间跟用户应用程度使用的空间分来了(内核态和用户态),然后为了让用户应用之间也不互相影响,大家也都各自在各自的地址空间里面吧。这样实现了隔离,解决了相互牵连的问题。


后来,人们发现,应用程序在执行的时候,经常会遇到一些执行时间比较长的操作,这样的话,会导致整个应用程序因为等待而不能响应用户的请求,这样用户就会想,这应用有问题。在执行长时间任务,比如请求一个远程文件,这个时候,除了干等着之外,还可以去干点别的。那怎么干呢?


上一节我们说到线程其实就是一组任务执行序列的组合,既然这样,如果我们把一组任务序列给变成两组,让长时间执行的一组,短时间执行的一组,再加上CPU可以按照时间片切换执行序列,这不就可以穿插执行两组任务了吗?那么对用户体验而言,就不需要一直等长时间执行的任务,点击鼠标或者按钮就可以得到相应了,因为CPU时间片很短。


好了,以前的时候,应用程序分配的地址空间里面只有一个执行序列,现在有两个了,这需要区分一下。那这个地址空间就叫做进程吧,里面的执行序列就叫做线程吧。读者不要误会,这个不是段子,进程的概念和线程应该是同时出现的,因为没有线程,就不需要区分进程,直接叫地址空间就可以了。地址空间里面本身就有一个执行序列,否则应用程序就没有存在的意义了。所以,进程里面至少有一个线程,但是一个线程,就没必要单独区分了。


那为什么需要更多的线程呢,就是为了让用户体验更好。这个我们就不多说了,先问一个问题,多线程就一定快吗?


我们来说下串行、并行、并发的概念,然后再来回答这个问题。


严格意义上讲,并行和串行和一组概念,并发跟它们不是一个范畴的概念。串行是指,在一个时间点,只可能有一个任务序列正在被执行;并行则是在一个时间点,有至少两个任务序列正在被执行。其实,并行跟串行严格上讲,跟多不多线程没关系,它们只跟CPU的个数有关系,只要CPU核数只有一个,再多的线程也是站好成一队,一个一个执行;CPU核数大于1个的时候,那么线程的执行序列就可以拍成至少2对,那么就同一时刻,就有多于一个的线程正在被执行,这才是并行。


那来说并发,并发说的是一个时间段内,而非一个时刻。一个时间段内,有多个任务交替进行,是为并发。可以理解为,它强调的是CPU上线程(执行序列)的切换以及对一个线程中任务执行序列的一个中断(中断我们在这里不深究了,操作系统的核心机制)。


并行、串行说的是一个时间点的概念,并发说的是一个时间段的概念,所以不同。而且并发可以在并行和串行上转换,让我们看一下。在单核CPU上,有3个线程,每个线程需要3个时间片来完成(不考虑CPU上下文切换的时间,虽然这个时间还真不一定可以忽略不计),线程A执行上了CPU执行一个时间片后就下来了,然后第二个时间片线程C上去了,第二个时间片结束时,线程C下来,然后第三个时间片线程B上去了。现在三个时间片过去了,线程A、B、C都被执行了,但是都没执行完,但是都被响应了(联想一下吞吐量),这个过程是满足并发的,但是也满足串行(在一个时间点,真的就是只有一个线程在执行)。在多核CPU上,比如双核,还是三个线程,每个需要3个时间片来完成。第一个时间片,线程A上了CPU1,线程C上了CPU2,等第一个时间片结束,线程A继续在CPU1执行,但是线程C从CPU2上下来了,线程C上了CPU2。在这个时间段里面,有多个任务被执行响应,而且每个时刻,都真真正正有两个线程在执行,满足并发。


现在来回答多线程一定快吗?

这个需要分情况,情况依赖很多因素,不过我们只需要举出一个例子,证明不快就可以了。在单核CPU上,CPU因为调度多个线程执行需要不断的切换上下文。在一个时间片快结束时,CPU需要将当前执行的线程的状态(就是一个临时变量、PC等值)给记录下来,以备将来再次执行这个线程时,知道如何恢复此时的状态(也叫恢复现场)。所以,只要发生线程切换,势必就会有上下文切换,说白了,线程切换就是上下文切换,执行序列都在线程那里摆好了。上下文切换需要耗费时间,一次保存现场,一次恢复现场。所以,一个任务如果从头执行到尾,可能需要10个时间片,但中间经历了多次上下文切换,可以总的执行时间要变成12个时间片了。那为什么还要多线程呢,因为用户体验好。这样值得吗?值得,如果用户体验不好,没人用,又有什么意义?客户就是上帝,呵呵。


为什么需要多线程呢?

因为用户体验好,哈哈。

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