多线程

1、大部分程序运行的快慢不完全取决于CPU，还和众多外设有关系，因为大部分程序都会与外设进行交涉，大家都知道CPU的运算速度是非常快的，而外设的速度却要比CPU慢很多，这样在程序的执行时就产生时间差，如果程序使用的是单线程，那么CPU这时就必须等待外设运行完毕之后再继续执行剩下的任务，而如果程序采用的是多线程，那么在等待外设的这段时间就可以让CPU去完成剩下的其他任务，待外设完成后再继续执行下面的程序，这样就大大提高了程序的运行速度以及系统的效率。

2、单线程，在同一时刻只能执行一个任务，并且需要等待这个任务执行完毕才能执行其他任务，在执行过程中出现的等待外设或者用户输入都会浪费CPU的执行时间，降低程序的运行速度和系统效率。

3、多线程同步，逻辑上的多线程、物理上的单线程，在实际情况中相对于单线程而言提高了程序的运行速度和系统效率。在支持多线程的单CPU操作系统中，必须将CPU的处理时间进行划分，也就是时间片，为每个线程分配执行时间，但是这个时间很短，因为CPU得执行速度非常快，所以在这个很短的时间内就能执行非常多的指令，这样CPU会在各个线程之间快速进行轮转，以至于我们用户感觉到好像是CPU同时执行多个任务一样，这样既提高了程序的运行速度（因为程序不会因为等待某个耗费时间过长任务而不响应用户的请求）又提高系统的效率也就是CPU的利用率。具体多线程运行的过程根据操作系统的不同也都不尽相同（有一般抢占式请求队列，优先级抢占式请求队列等），但原理都相差不大，实现起来也都比较复杂。举一个简单的例子：在一个程序中有三个线程，分别是用户请求线程A，计算线程B界面绘制线程C，其优先级从高到低分别是A、B、C，操作系统会给每个线程都分配时间片（也就是CPU使用时间），这时程序开始执行后CPU在各个线程之间快速轮转，如果其中一个线程因为某种原因需要等待外设或进入了睡眠，则它就不在时间片的调度之内，需要等到条件成熟之或事件激发后再次进入到调度的队列之内，比如用户请求线程A，在没有用户请求的时候就进入到等待状态，而不再调度队列之内，直到用户发出请求后，线程立即进入到时间片调度队列，因为其优先级别最高，所以CPU在执行完一个时间片之后会立即响应用户请求，因为时间片很短，而且CPU切换的速度非常之快，所以用户感觉到立即被响应了，响应后看此线程的任务量多少，如果任务少则一个时间片就执行完毕而再次进入到等待状态不参与时间片的调度，时间片只在其他线程任务中进行调度和轮转，否则任务量多的情况下需要多个时间片执行时，则一直参与调度直到任务执行完毕，在调度的过程中每个线程都会在时间片执行完的时候把当前的执行状态压入堆栈也就是保护现场，以便下次被调度时继续原来的状态继续执行。线程B和C的任务也是这样的执行过程，因为CPU得速度非常之快，所以用户会感觉到很多任务在同时并发执行，其实这是多线程同步，并不是真正意义上的多线程，而是逻辑上多线程，物理上单线程，因为只有一个CPU，所以不管CPU执行什么任务，执行多少任务，在同一时刻只能执行一个任务，但是由于很多任务需要等待或者特殊条件激活，所以在等待的这段时间CPU可以继续被利用执行其他任务，这样就提高了系统效率，但是速度并没有真正意义上的快，因为如果不考虑CPU等待的情况下，CPU采用轮转执行和单任务执行最终所用的时间是一样的或者说多线程要比单线程耗费更多的时间，这是因为任务量一定，CPU自身的处理速度一定，所以最终时间是一样的，但是考虑到实际情况中有外设等待及事件触发等情况，所以利用轮转执行会提高程序的运行速度，但是如果没有占用时间较长并且需要等待的任务而采用多线程则会降低程序的运行速度，因为CPU在各个线程中切换时会消耗一定的资源和时间，比如在线程的调度时，线程执行状态的入栈和出栈都会占用CPU时间而降低程序执行速度（CPU的超线程技术就是为了弥补在线程间切换时所消耗的资源和处理时间），所以具体在编程中需不需要使用多线程技术还需要看程序的具体执行功能，如果只需要CPU进行运算没有其他的比如用户输入的功能则只不用使用多线程，相反如果程序中有用户输入、界面绘制、文件存储等多种需要等待或者特殊条件激活的功能则需要使用多线程技术，以便在界面绘制或文件存储时能够及时的响应用户的输入。

4、多线程异步，真正意义上多线程、也就是物理上的多线程，这时需要多个CPU（多核处理器），这时在支持多线程的操作系统中就能真正意义上实现多线程并发执行程序（进程）（也就是同时运行多个程序），同时在单个CPU中还能实现多线程同步。这时在整个系统中不仅可以实现多线程异步，还可以实现多线程同步，具体执行过程还要视操作系统的分配。

5、同步多线程的总结，单CPU实现同步的多线程需额外的开销，并且对于只靠CPU来计算的程序，单CPU实现的多线程并不能提高速度。而对于不完全使用CPU计算的程序，使用同步的多线程会提高程序的运行速度和系统效率，因为CPU不会为等待某个外设的中断信号或用户的输入而不去响应执行其他线程。