以生活例子说明单线程与多线程

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1. 程序设计的目标
2. 单线程多任务无阻塞
3. 单线程多任务IO阻塞
4. 单线程多任务异步IO
5. 单线程多任务，有耗时计算
6. 多线程程序
7. 多CPU
8. 多线程与多进程
9. 总结




1. 程序设计的目标

在我看来单从程序的角度来看，一个好的程序的目标应该是性能与用户体验的平衡。当然一个程序是否能够满足用户的需求暂且不谈，这是业务层面的问题，我们仅仅讨论程序本身。围绕两点来展开，性能与用户体验。

性能：高性能的程序应该可以等同于CPU的利用率，CPU的利用率越高(一直在工作，没有闲下来的时候)，程序的性能越高。
体验：这里的体验不只是界面多么漂亮，功能多么顺手，这里的体验指程序的响应速度，响应速度越快，用户体验越好。

下面我们就这两点进行各种模型的讨论。

2. 单线程多任务无阻塞

以生活中食堂打饭的场景作为比喻，假设有这样的场景，小A，小B，小C 在窗口依次排队打饭。 假设窗口负责打饭的阿姨打一个菜需要耗时1秒。如果小A需要2个菜，小B需要3个菜，小C需要2个菜。如下：

阿姨(CPU)：打一个菜需要1秒
小A：2个菜
小B：3个菜
小C：2个菜

那么在这种模型下将所有服务做完阿姨需要耗时 2 + 3 + 2 = 7秒
阿姨 = CPU
小A,小B,小C = 任务(这里是以任务为概念，表示需要做一些事情)
这种模型下CPU是满负荷不间断运转的，没有空闲，用户体验还不错。这种程序中每个任务的耗时都比较小，是非常理想的状态，一般情况下基本不太可能存在。

3. 单线程多任务IO阻塞

将上面的场景稍微做改动：
阿姨：打一个菜需要1秒
小A：2个菜，但是忘记带钱了，要找同学送过来，估计需要等5分钟可以送到(可以理解为磁盘IO)
小B：3个菜
小C：2个菜

这种情况下小A这里发生了阻塞，实际上小A这里耗费了5分钟也就是 300秒+ 2个菜的时间，也就是302秒，而CPU则空闲了300秒，实际上工作2秒。

所有服务做完花费 302 + 3 + 2 = 307秒  CPU实际工作7秒，等待300秒。 极大浪费了CPU的时钟周期。 用户体验很差，因为小A阻塞的时候，后面的所有人都等着，而实际上此时CPU空闲。所以单线程中不要有阻塞出现。

4. 单线程多任务异步IO

还是上面的模型，加入一个角色：值日生小哥，他负责事先询问每一个人是否带钱了，如果带钱了则允许打菜，否则把钱准备好了再说。

<1> 值日生小哥问小A准备好打菜了吗，小A说忘带钱了，值日生小哥说，你把钱准备好了再说，小A开始准备(需要300秒，从此刻开始记时)。
<2> 值日生小哥问小B准备好打菜了吗，小B说可以了，阿姨服务小B，耗时3秒
<3> 值日生小哥问小C准备好打菜了吗，小C说可以了，阿姨服务小C，耗时2秒
<4> 值日生小哥问小A准备好了没有，小A说还要等一会，阿姨由于没有人过来服务，处于空闲状态
<5> 300秒之后，小A准备好了，阿姨服务小A，耗时2秒

整个过程做完耗时 300 + 2 = 302秒  CPU工作7秒，空闲295秒

值日生小哥相当于select模型中的select功能，负责轮询任务是否可以工作，如果可以则直接工作，否则继续轮询。在小A阻塞的300秒里面，阿姨(CPU)没有傻等，而是在服务后面的人，也就是小B和小C，所以这里与模型3不同的是，这里有5秒CPU是工作的。 如果打饭的人越多，这种模型CPU的利用率越高，例如如果有小D，小E，小F…… 等需要服务，CPU可以在小A阻塞的300秒期间内继续服务其他人。实际上值日生小哥轮询也会耗时，这个耗时是很少的，几乎可以忽略不计，但是如果任务非常多，这个轮询还是会影响性能的，但是epoll模型已经不使用轮询的方式，相当于A，B，C会主动跟值日生小哥报告，说我准备好了，可以直接打菜了。

这种模式下用户体验好，CPU利用率高(任务越多利用率越高)

5. 单线程多任务，有耗时计算

回到最开始的模型，如下：
阿姨：打一个菜需要1秒
小A：200个菜
小B：3个菜
小C：2个菜

顺序做完所有任务，需要耗时 200 + 3 + 2 = 205秒， CPU无空闲，但是用户体验却不是很好，因为显然后面的 B，C 需要等待小A 200秒的时间，这种情况下是没有IO阻塞的，但是任务A本身太耗CPU了，所以说如果单线程中出现了耗时的操作，一定会影响体验(IO操作或者是耗时的计算都属于耗时的操作，都会导致阻塞，但是这两种导致阻塞的性质是不一样的)。在所有的单线程模型中都不允许出现阻塞的情况，如果出现，那么用户体验是极差的，例如在UI编程中(QT,C# Winform)是不允许在UI线程中做耗时的操作的，否则会导致UI界面无响应。 编写Nodejs程序的时候，我们所写的代码实际上是在一个线程中执行的，所以也不允许有阻塞的操作(当然整个Nodejs框架实现异步，一定不止一个线程)。

出现阻塞的情况一般有2种，一种是IO阻塞，例如典型的如磁盘操作，这种情况下的阻塞会导致CPU空闲等待(当然现代操作系统中如果IO阻塞，操作系统一定会将导致IO阻塞的线程挂起)。这种阻塞的情况，可以通过异步IO的方法避免，这样就避免程序中仅有的单线程被操作系统挂起。另一种情况下是确实有非常多的计算操作，例如一个复杂的加密算法，确实需要消耗非常多的CPU时间，这种情况下CPU并不是空闲的，反而是全负荷工作的。这种CPU密集的工作不适合放在单线程中，虽然CPU的利用率很高，但是用户体验并不是很好。这种情况下使用多线程反而会更好，例如如果3个任务，每个任务都在一个线程中，也就是有3个线程，A任务在ThreadA中，B任务在ThreadB中，C任务在ThreadC中，那么即使A任务的计算量比较大，B，C两个任务所在的线程也不必等待A任务完成之后再工作，他们也有机会得到调度，这是由操作系统来完成的。这样就不会因为某一个任务计算量大，而导致阻塞其他任务而影响体验了。

6. 多线程程序

我们将上面的模型改造成多线程的模型是怎样的呢，我们在模型5的基础上添加一个角色，管理员大叔(操作系统的角色)：
阿姨：打一个菜需要1秒
小A：200个菜
小B：3个菜
小C：2个菜

加入管理员大叔之后变成这样的了，小A打两个菜之后，大叔说，你打的菜太多了，不能因为你要打200个菜，让后面的同学都没有机会打菜，你打两个菜之后等一会，让后面的同学也有机会。

大叔让小B打两个菜，然后让小C打两个菜(小C完成)，然后再让小A打两个菜(完成之后小A总共就有4个菜了)，再让小B打1个菜(此时小B总共打3个菜，完成)，然后小A打剩下的196个菜。

CPU的利用率：很高，阿姨在不断的工作

用户体验：不错，即使小A要打200个菜，小B，小C也有机会。 当然如果小A说我是帮校长打菜，要快一点(线程优先级高)，那也只能先把小A服务完

总耗时：   200 + 3 + 2 + (大叔指挥安排所消耗的时间，包括从小C切换回小A的时候，大叔要知道小A上次打的菜是哪两个，这次应该接着打什么菜，这相当于线程上下文切换的开销以及线程环境的保存与恢复)，所以并不是线程越多越好，线程非常多的时候大叔估计会焦头烂额吧，要记住这么状态，切换来切换去也耗时间。

这种模型下实际上是将小A的耗时任务，分成多份去执行而不是集中执行，所以小A要完成他的任务，可能需要更多的时间(期间他也需要等别人，阿姨不会一直为他一个人服务，但是阿姨为他服务的时间是没有变化的)，这种其实有点以时间换取用户体验(小B和小Ｃ的体验，小Ａ的体验可能就不会那么好了，但是小Ａ本来也非常耗时，所以多等一会是不是也没关系)

那么IO阻塞和CPU计算耗时阻塞这两者有什么区别呢？ 区别在于IO阻塞是不使用CPU的，而CPU计算耗时导致的阻塞是会使用CPU的。 例如上面的例子中，小A说忘记带钱了需要同学送钱，于是小A等着同学送钱过来，这个过程中阿姨并没有为小A提供服务，这个过程中为小A提供服务的是他的同学(送钱过来)，实际上小A的同学相当于现代计算机系统中的DMA(直接内存操作)，小A同学送钱的过程相当于DMA从磁盘读取数据到内存的过程，这个过程基本不需要CPU干预。

当然在DMA技术还没有出现的年代，从磁盘读取文件也是需要CPU发送指令去读取的，也就是说需要CPU的计算，应用到这里的场景中，就是阿姨亲自跑一趟帮小A把钱拿过来。

7. 多CPU

多CPU是一个更加复杂的问题，多CPU如何调度？ 小A在第一个窗口打两个菜，又跑到第二个窗口打两个菜这种情况如何处理。小A在第一个窗口，小B在第二个窗口他们要同一个菜，但是这个菜只够一个人，那么两个窗口阿姨如何分配这种需求(实际上应该是由操作系统也就是管理员大叔来决定如何分配，也就是多核下的线程同步与互斥)？

多核CPU情况下，多线程的调度，互斥，锁与同步相对来讲更加复杂，多核情况下是真正的并行，同一时刻有多个线程在同时运行，他们的竞争怎么处理，多个CPU之间如何同步(多CPU之间的缓存状态一致性)等等一系列的问题。

8. 多线程与多进程

上面描述的多线程实际上是讨论的是多线程的调度问题，这里我们说一说多线程与多进程与资源的分配问题。什么意思呢，一群人(多个线程)在一个桌子(进程)上吃饭，他们会涉及到一些问题，比如多个人可能会夹一个菜(竞争)，A和B同时看到盘子里面有一块肉，同时伸出筷子去夹，A先夹走，B迟了一点伸到盘子的时候已经没了，只能缩回来(临界资源，互斥)，有一个点心需要用馍夹肉一起吃。A夹了肉，B夹了馍，A需要B的馍，B需要A的肉，他们僵持不下谁都不让步(死锁)。

多线程之间的资源共享是非常方便的，因为他们共用进程的资源空间（在一个桌子上），但是需要注意一系列的问题，竞争，死锁，同步等。如果在旁边再开一个桌子(进程)。 那么桌子之间讲话，递东西又不方便(进程间通信)，而开一个桌子的开销比在一个桌子上多加一个人的开销要大。另外一个桌子上的人数不可能无限制增加，桌子的容量有限也坐不下这么多人(进程的线程句柄是有限制的)。一个桌子坏了不会影响到另一个桌子上面人的就餐情况(进程间相互独立，一个进程崩溃不会影响另一个)，而一个桌子上的某人喝挂了需要送医院，估计这一桌人都要散了(线程挂掉会导致整个进程也挂掉)。所以多线程与多进程是各有优缺点，不能一概而论。

说明：多线程桌子的比喻受到知乎用户［pansz］的启发，但是该比喻似乎说明不了线程同步的情况。

9. 总结

单线程程序：适合IO异步，不能阻塞，不能有大量耗CPU的计算。典型如Nodejs，还有一些网络程序

多线程程序：适合CPU密集型程序

(来源：薰衣草的旋律)