從這篇開始將會(huì)開啟高性能、高并發(fā)系列,本篇是該系列的開篇,主要關(guān)注多線程以及線程池。
一切要從CPU說起
你可能會(huì)有疑問,講多線程為什么要從CPU說起呢?原因很簡單,在這里沒有那些時(shí)髦的概念,你可以更加清晰的看清問題的本質(zhì)。
CPU并不知道線程、進(jìn)程之類的概念。
CPU只知道兩件事:
1. 從內(nèi)存中取出指令
2. 執(zhí)行指令,然后回到1
你看,在這里CPU確實(shí)是不知道什么進(jìn)程、線程之類的概念。
接下來的問題就是CPU從哪里取出指令呢?答案是來自一個(gè)被稱為Program Counter(簡稱PC)的寄存器,也就是我們熟知的程序計(jì)數(shù)器,在這里大家不要把寄存器想的太神秘,你可以簡單的把寄存器理解為內(nèi)存,只不過存取速度更快而已。
PC寄存器中存放的是什么呢?這里存放的是指令在內(nèi)存中的地址,什么指令呢?是CPU將要執(zhí)行的下一條指令。
那么是誰來設(shè)置PC寄存器中的指令地址呢?
原來PC寄存器中的地址默認(rèn)是自動(dòng)加1的,這當(dāng)然是有道理的,因?yàn)榇蟛糠智闆r下CPU都是一條接一條順序執(zhí)行,當(dāng)遇到if、else時(shí),這種順序執(zhí)行就被打破了,CPU在執(zhí)行這類指令時(shí)會(huì)根據(jù)計(jì)算結(jié)果來動(dòng)態(tài)改變PC寄存器中的值,這樣CPU就可以正確的跳轉(zhuǎn)到需要執(zhí)行的指令了。
聰明的你一定會(huì)問,那么PC中的初始值是怎么被設(shè)置的呢?
在回答這個(gè)問題之前我們需要知道CPU執(zhí)行的指令來自哪里?是來自內(nèi)存,廢話,內(nèi)存中的指令是從磁盤中保存的可執(zhí)行程序加載過來的,磁盤中可執(zhí)行程序是編譯器生成的,編譯器又是從哪里生成的機(jī)器指令呢?答案就是我們定義的函數(shù)。
注意是函數(shù),函數(shù)被編譯后才會(huì)形成CPU執(zhí)行的指令,那么很自然的,我們?cè)撊绾巫孋PU執(zhí)行一個(gè)函數(shù)呢?顯然我們只需要找到函數(shù)被編譯后形成的第一條指令就可以了,第一條指令就是函數(shù)入口。
現(xiàn)在你應(yīng)該知道了吧,我們想要CPU執(zhí)行一個(gè)函數(shù),那么只需要把該函數(shù)對(duì)應(yīng)的第一條機(jī)器指令的地址寫入PC寄存器就可以了,這樣我們寫的函數(shù)就開始被CPU執(zhí)行起來啦。
你可能會(huì)有疑問,這和線程有什么關(guān)系呢?
從CPU到操作系統(tǒng)
上一小節(jié)中我們明白了CPU的工作原理,我們想讓CPU執(zhí)行某個(gè)函數(shù),那么只需要把函數(shù)對(duì)應(yīng)的第一條機(jī)器執(zhí)行裝入PC寄存器就可以了,這樣即使沒有操作系統(tǒng)我們也可以讓CPU執(zhí)行程序,雖然可行但這是一個(gè)非常繁瑣的過程,我們需要:
在內(nèi)存中找到一塊大小合適的區(qū)域裝入程序
找到函數(shù)入口,設(shè)置好PC寄存器讓CPU開始執(zhí)行程序
這兩個(gè)步驟絕不是那么容易的事情,如果每次在執(zhí)行程序時(shí)程序員自己手動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)過程會(huì)瘋掉的,因此聰明的程序員就會(huì)想干脆直接寫個(gè)程序來自動(dòng)完成上面兩個(gè)步驟吧。
機(jī)器指令需要加載到內(nèi)存中執(zhí)行,因此需要記錄下內(nèi)存的起始地址和長度;同時(shí)要找到函數(shù)的入口地址并寫到PC寄存器中,想一想這是不是需要一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄下這些信息:
struct*** {void* start_addr;intlen;void* start_point;...};
接下來就是起名字時(shí)刻。
這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)總要有個(gè)名字吧,這個(gè)結(jié)構(gòu)體用來記錄什么信息呢?記錄的是程序在被加載到內(nèi)存中的運(yùn)行狀態(tài),程序從磁盤加載到內(nèi)存跑起來叫什么好呢?干脆就叫進(jìn)程(Process)好了,我們的指導(dǎo)原則就是一定要聽上去比較神秘,總之大家都不容易弄懂就對(duì)了,我將其稱為“弄不懂原則”。
就這樣進(jìn)程誕生了。
CPU執(zhí)行的第一個(gè)函數(shù)也起個(gè)名字,第一個(gè)要被執(zhí)行的函數(shù)聽起來比較重要,干脆就叫main函數(shù)吧。
完成上述兩個(gè)步驟的程序也要起個(gè)名字,根據(jù)“弄不懂原則”這個(gè)“簡單”的程序就叫操作系統(tǒng)(Operating System)好啦。
就這樣操作系統(tǒng)誕生了,程序員要想運(yùn)行程序再也不用自己手動(dòng)加載一遍了。
現(xiàn)在進(jìn)程和操作系統(tǒng)都有了,一切看上去都很完美。
從單核到多核,如何充分利用多核
人類的一大特點(diǎn)就是生命不息折騰不止,從單核折騰到了多核。
這時(shí),假設(shè)我們想寫一個(gè)程序并且要分利用多核該怎么辦呢?
有的同學(xué)可能會(huì)說不是有進(jìn)程嗎,多開幾個(gè)進(jìn)程不就可以了?聽上去似乎很有道理,但是主要存在這樣幾個(gè)問題:
進(jìn)程是需要占用內(nèi)存空間的(從上一節(jié)能看到這一點(diǎn)),如果多個(gè)進(jìn)程基于同一個(gè)可執(zhí)行程序,那么這些進(jìn)程其內(nèi)存區(qū)域中的內(nèi)容幾乎完全相同,這顯然會(huì)造成內(nèi)存的浪費(fèi)
計(jì)算機(jī)處理的任務(wù)可能是比較復(fù)雜的,這就涉及到了進(jìn)程間通信,由于各個(gè)進(jìn)程處于不同的內(nèi)存地址空間,進(jìn)程間通信天然需要借助操作系統(tǒng),這就在增大編程難度的同時(shí)也增加了系統(tǒng)開銷
該怎么辦呢?
從進(jìn)程到線程
讓我再來仔細(xì)的想一想這個(gè)問題,所謂進(jìn)程無非就是內(nèi)存中的一段區(qū)域,這段區(qū)域中保存了CPU執(zhí)行的機(jī)器指令以及函數(shù)運(yùn)行時(shí)的堆棧信息,要想讓進(jìn)程運(yùn)行,就把main函數(shù)的第一條機(jī)器指令地址寫入PC寄存器,這樣進(jìn)程就運(yùn)行起來了。
進(jìn)程的缺點(diǎn)在于只有一個(gè)入口函數(shù),也就是main函數(shù),因此進(jìn)程中的機(jī)器指令只能被一個(gè)CPU執(zhí)行,那么有沒有辦法讓多個(gè)CPU來執(zhí)行同一個(gè)進(jìn)程中的機(jī)器指令呢?
聰明的你應(yīng)該能想到,既然我們可以把main函數(shù)的第一條指令地址寫入PC寄存器,那么其它函數(shù)和main函數(shù)又有什么區(qū)別呢?
答案是沒什么區(qū)別,main函數(shù)的特殊之處無非就在于是CPU執(zhí)行的第一個(gè)函數(shù),除此之外再無特別之處,我們可以把PC寄存器指向main函數(shù),就可以把PC寄存器指向任何一個(gè)函數(shù)。
當(dāng)我們把PC寄存器指向非main函數(shù)時(shí),線程就誕生了。
至此我們解放了思想,一個(gè)進(jìn)程內(nèi)可以有多個(gè)入口函數(shù),也就是說屬于同一個(gè)進(jìn)程中的機(jī)器指令可以被多個(gè)CPU同時(shí)執(zhí)行。
注意,這是一個(gè)和進(jìn)程不同的概念,創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)我們需要在內(nèi)存中找到一塊合適的區(qū)域以裝入進(jìn)程,然后把CPU的PC寄存器指向main函數(shù),也就是說進(jìn)程中只有一個(gè)執(zhí)行流。
但是現(xiàn)在不一樣了,多個(gè)CPU可以在同一個(gè)屋檐下(進(jìn)程占用的內(nèi)存區(qū)域)同時(shí)執(zhí)行屬于該進(jìn)程的多個(gè)入口函數(shù),也就是說現(xiàn)在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)可以有多個(gè)執(zhí)行流了。
總是叫執(zhí)行流好像有點(diǎn)太容易理解了,再次祭出”弄不懂原則“,起個(gè)不容易懂的名字,就叫線程吧。
這就是線程的由來。
操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)了一堆信息,用來記錄進(jìn)程所處的內(nèi)存空間等,這堆信息記為數(shù)據(jù)集A。
同樣的,操作系統(tǒng)也需要為線程維護(hù)一堆信息,用來記錄線程的入口函數(shù)或者棧信息等,這堆數(shù)據(jù)記為數(shù)據(jù)集B。
顯然數(shù)據(jù)集B要比數(shù)據(jù)A的量要少,同時(shí)不像進(jìn)程,創(chuàng)建一個(gè)線程時(shí)無需去內(nèi)存中找一段內(nèi)存空間,因?yàn)榫€程是運(yùn)行在所處進(jìn)程的地址空間的,這塊地址空間在程序啟動(dòng)時(shí)已經(jīng)創(chuàng)建完畢,同時(shí)線程是程序在運(yùn)行期間創(chuàng)建的(進(jìn)程啟動(dòng)后),因此當(dāng)線程開始運(yùn)行的時(shí)候這塊地址空間就已經(jīng)存在了,線程可以直接使用。這就是為什么各種教材上提的創(chuàng)建線程要比創(chuàng)建進(jìn)程快的原因(當(dāng)然還有其它原因)。
值得注意的是,有了線程這個(gè)概念后,我們只需要進(jìn)程開啟后創(chuàng)建多個(gè)線程就可以讓所有CPU都忙起來,這就是所謂高性能、高并發(fā)的根本所在。
很簡單,只需要?jiǎng)?chuàng)建出數(shù)量合適的線程就可以了。
另外值得注意的一點(diǎn)是,由于各個(gè)線程共享進(jìn)程的內(nèi)存地址空間,因此線程之間的通信無需借助操作系統(tǒng),這給程序員帶來極大方便的同時(shí)也帶來了無盡的麻煩,多線程遇到的多數(shù)問題都出自于線程間通信簡直太方便了以至于非常容易出錯(cuò)。出錯(cuò)的根源在于CPU執(zhí)行指令時(shí)根本沒有線程的概念,多線程編程面臨的互斥與同步問題需要程序員自己解決,關(guān)于互斥與同步問題限于篇幅就不詳細(xì)展開了,大部分的操作系統(tǒng)資料都有詳細(xì)講解。
最后需要提醒的是,雖然前面關(guān)于線程講解使用的圖中用了多個(gè)CPU,但不是說一定要有多核才能使用多線程,在單核的情況下一樣可以創(chuàng)建出多個(gè)線程,原因在于線程是操作系統(tǒng)層面的實(shí)現(xiàn),和有多少個(gè)核心是沒有關(guān)系的,CPU在執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)也意識(shí)不到執(zhí)行的機(jī)器指令屬于哪個(gè)線程。即使在只有一個(gè)CPU的情況下,操作系統(tǒng)也可以通過線程調(diào)度讓各個(gè)線程“同時(shí)”向前推進(jìn),方法就是將CPU的時(shí)間片在各個(gè)線程之間來回分配,這樣多個(gè)線程看起來就是“同時(shí)”運(yùn)行了,但實(shí)際上任意時(shí)刻還是只有一個(gè)線程在運(yùn)行。
線程與內(nèi)存
在前面的討論中我們知道了線程和CPU的關(guān)系,也就是把CPU的PC寄存器指向線程的入口函數(shù),這樣線程就可以運(yùn)行起來了,這就是為什么我們創(chuàng)建線程時(shí)必須指定一個(gè)入口函數(shù)的原因。無論使用任何編程語言,創(chuàng)建一個(gè)線程大體相同:
// 設(shè)置線程入口函數(shù)DoSomethingthread=CreateThread(DoSomething);// 讓線程運(yùn)行起來thread.Run();
那么線程和內(nèi)存又有什么關(guān)聯(lián)呢?
我們知道函數(shù)在被執(zhí)行的時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括函數(shù)參數(shù)、局部變量、返回地址等信息,這些信息是保存在棧中的,線程這個(gè)概念還沒有出現(xiàn)時(shí)進(jìn)程中只有一個(gè)執(zhí)行流,因此只有一個(gè)棧,這個(gè)棧的棧底就是進(jìn)程的入口函數(shù),也就是main函數(shù),假設(shè)main函數(shù)調(diào)用了funA,funcA又調(diào)用了funcB,如圖所示:
那么有了線程以后了呢?
有了線程以后一個(gè)進(jìn)程中就存在多個(gè)執(zhí)行入口,即同時(shí)存在多個(gè)執(zhí)行流,那么只有一個(gè)執(zhí)行流的進(jìn)程需要一個(gè)棧來保存運(yùn)行時(shí)信息,那么很顯然有多個(gè)執(zhí)行流時(shí)就需要有多個(gè)棧來保存各個(gè)執(zhí)行流的信息,也就是說操作系統(tǒng)要為每個(gè)線程在進(jìn)程的地址空間中分配一個(gè)棧,即每個(gè)線程都有獨(dú)屬于自己的棧,能意識(shí)到這一點(diǎn)是極其關(guān)鍵的。
同時(shí)我們也可以看到,創(chuàng)建線程是要消耗進(jìn)程內(nèi)存空間的,這一點(diǎn)也值得注意。
線程的使用
現(xiàn)在有了線程的概念,那么接下來作為程序員我們?cè)撊绾问褂镁€程呢?
從生命周期的角度講,線程要處理的任務(wù)有兩類:長任務(wù)和短任務(wù)。
1,長任務(wù),long-lived tasks
顧名思義,就是任務(wù)存活的時(shí)間很長,比如以我們常用的word為例,我們?cè)趙ord中編輯的文字需要保存在磁盤上,往磁盤上寫數(shù)據(jù)就是一個(gè)任務(wù),那么這時(shí)一個(gè)比較好的方法就是專門創(chuàng)建一個(gè)寫磁盤的線程,該寫線程的生命周期和word進(jìn)程是一樣的,只要打開word就要?jiǎng)?chuàng)建出該寫線程,當(dāng)用戶關(guān)閉word時(shí)該線程才會(huì)被銷毀,這就是長任務(wù)。
這種場景非常適合創(chuàng)建專用的線程來處理某些特定任務(wù),這種情況比較簡單。
有長任務(wù),相應(yīng)的就有短任務(wù)。
2,短任務(wù),short-lived tasks
這個(gè)概念也很簡單,那就是任務(wù)的處理時(shí)間很短,比如一次網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、一次數(shù)據(jù)庫查詢等,這種任務(wù)可以在短時(shí)間內(nèi)快速處理完成。因此短任務(wù)多見于各種Server,像web server、database server、file server、mail server等,這也是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的同學(xué)最常見的場景,這種場景是我們要重點(diǎn)討論的。
這種場景有兩個(gè)特點(diǎn):一個(gè)是任務(wù)處理所需時(shí)間短;另一個(gè)是任務(wù)數(shù)量巨大。
如果讓你來處理這種類型的任務(wù)該怎么辦呢?
你可能會(huì)想,這很簡單啊,當(dāng)server接收到一個(gè)請(qǐng)求后就創(chuàng)建一個(gè)線程來處理任務(wù),處理完成后銷毀該線程即可,So easy。
這種方法通常被稱為thread-per-request,也就是說來一個(gè)請(qǐng)求就創(chuàng)建一個(gè)線程:
如果是長任務(wù),那么這種方法可以工作的很好,但是對(duì)于大量的短任務(wù)這種方法雖然實(shí)現(xiàn)簡單但是有這樣幾個(gè)缺點(diǎn):
1. 從前幾節(jié)我們能看到,線程是操作系統(tǒng)中的概念(這里不討論用戶態(tài)線程實(shí)現(xiàn)、協(xié)程之類),因此創(chuàng)建線程天然需要借助操作系統(tǒng)來完成,操作系統(tǒng)創(chuàng)建和銷毀線程是需要消耗時(shí)間的
2. 每個(gè)線程需要有自己獨(dú)立的棧,因此當(dāng)創(chuàng)建大量線程時(shí)會(huì)消耗過多的內(nèi)存等系統(tǒng)資源
這就好比你是一個(gè)工廠老板(想想都很開心有沒有),手里有很多訂單,每來一批訂單就要招一批工人,生產(chǎn)的產(chǎn)品非常簡單,工人們很快就能處理完,處理完這批訂單后就把這些千辛萬苦招過來的工人辭退掉,當(dāng)有新的訂單時(shí)你再千辛萬苦的招一遍工人,干活兒5分鐘招人10小時(shí),如果你不是勵(lì)志要讓企業(yè)倒閉的話大概是不會(huì)這么做到的,因此一個(gè)更好的策略就是招一批人后就地養(yǎng)著,有訂單時(shí)處理訂單,沒有訂單時(shí)大家可以閑呆著。
這就是線程池的由來。
從多線程到線程池
線程池的概念是非常簡單的,無非就是創(chuàng)建一批線程,之后就不再釋放了,有任務(wù)就提交給這些線程處理,因此無需頻繁的創(chuàng)建、銷毀線程,同時(shí)由于線程池中的線程個(gè)數(shù)通常是固定的,也不會(huì)消耗過多的內(nèi)存,因此這里的思想就是復(fù)用、可控。
線程池是如何工作的
可能有的同學(xué)會(huì)問,該怎么給線程池提交任務(wù)呢?這些任務(wù)又是怎么給到線程池中線程呢?
很顯然,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的隊(duì)列天然適合這種場景,提交任務(wù)的就是生產(chǎn)者,消費(fèi)任務(wù)的線程就是消費(fèi)者,實(shí)際上這就是經(jīng)典的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題。
現(xiàn)在你應(yīng)該知道為什么操作系統(tǒng)課程要講、面試要問這個(gè)問題了吧,因?yàn)槿绻銓?duì)生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題不理解的話,本質(zhì)上你是無法正確的寫出線程池的。
限于篇幅在這里博主不打算詳細(xì)的講解生產(chǎn)者消費(fèi)者問題,參考操作系統(tǒng)相關(guān)資料就能獲取答案。這里博主打算講一講一般提交給線程池的任務(wù)是什么樣子的。
一般來說提交給線程池的任務(wù)包含兩部分:1)需要被處理的數(shù)據(jù);2)處理數(shù)據(jù)的函數(shù)
structtask{void* data;// 任務(wù)所攜帶的數(shù)據(jù)handler handle;// 處理數(shù)據(jù)的方法}
(注意,你也可以把代碼中的struct理解成class,也就是對(duì)象。)
線程池中的線程會(huì)阻塞在隊(duì)列上,當(dāng)生產(chǎn)者向隊(duì)列中寫入數(shù)據(jù)后,線程池中的某個(gè)線程會(huì)被喚醒,該線程從隊(duì)列中取出上述結(jié)構(gòu)體(或者對(duì)象),以結(jié)構(gòu)體(或者對(duì)象)中的數(shù)據(jù)為參數(shù)并調(diào)用處理函數(shù):
while(true) {structtask=GetFromQueue();// 從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)task->handle(task->data);// 處理數(shù)據(jù)}
以上就是線程池最核心的部分。
理解這些你就能明白線程池是如何工作的了。
線程池中線程的數(shù)量
現(xiàn)在線程池有了,那么線程池中線程的數(shù)量該是多少呢?
在接著往下看前先自己想一想這個(gè)問題。
如果你能看到這里說明還沒有睡著。
要知道線程池的線程過少就不能充分利用CPU,線程創(chuàng)建的過多反而會(huì)造成系統(tǒng)性能下降,內(nèi)存占用過多,線程切換造成的消耗等等。因此線程的數(shù)量既不能太多也不能太少,那到底該是多少呢?
回答這個(gè)問題,你需要知道線程池處理的任務(wù)有哪幾類,有的同學(xué)可能會(huì)說你不是說有兩類嗎?長任務(wù)和短任務(wù),這個(gè)是從生命周期的角度來看的,那么從處理任務(wù)所需要的資源角度看也有兩種類型,這就是沒事兒找抽型和。。啊不,是CPU密集型和I/O密集型。
1,CPU密集型
所謂CPU密集型就是說處理任務(wù)不需要依賴外部I/O,比如科學(xué)計(jì)算、矩陣運(yùn)算等等。在這種情況下只要線程的數(shù)量和核數(shù)基本相同就可以充分利用CPU資源。
2,I/O密集型
這一類任務(wù)可能計(jì)算部分所占用時(shí)間不多,大部分時(shí)間都用在了比如磁盤I/O、網(wǎng)絡(luò)I/O等。
這種情況下就稍微復(fù)雜一些了,你需要利用性能測(cè)試工具評(píng)估出用在I/O等待上的時(shí)間,這里記為WT(wait time),以及CPU計(jì)算所需要的時(shí)間,這里記為CT(computing time),那么對(duì)于一個(gè)N核的系統(tǒng),合適的線程數(shù)大概是N * (1 + WT/CT),假設(shè)I/O等待時(shí)間和計(jì)算時(shí)間相同,那么你大概需要2N個(gè)線程才能充分利用CPU資源,注意這只是一個(gè)理論值,具體設(shè)置多少需要根據(jù)真實(shí)的業(yè)務(wù)場景進(jìn)行測(cè)試。
當(dāng)然充分利用CPU不是唯一需要考慮的點(diǎn),隨著線程數(shù)量的增多,內(nèi)存占用、系統(tǒng)調(diào)度、打開的文件數(shù)量、打開的socker數(shù)量以及打開的數(shù)據(jù)庫鏈接等等是都需要考慮的。
因此這里沒有萬能公式,要具體情況具體分析。
線程池不是萬能的
線程池僅僅是多線程的一種使用形式,因此多線程面臨的問題線程池同樣不能避免,像死鎖問題、race condition問題等等,關(guān)于這一部分同樣可以參考操作系統(tǒng)相關(guān)資料就能得到答案,所以基礎(chǔ)很重要呀老鐵們。
線程池使用的最佳實(shí)踐
線程池是程序員手中強(qiáng)大的武器,互聯(lián)網(wǎng)公司的各個(gè)server上幾乎都能見到線程池的身影,使用線程池前你需要考慮:
充分理解你的任務(wù),是長任務(wù)還是短任務(wù)、是CPU密集型還是I/O密集型,如果兩種都有,那么一種可能更好的辦法是把這兩類任務(wù)放到不同的線程池中,這樣也許可以更好的確定線程數(shù)量
如果線程池中的任務(wù)有I/O操作,那么務(wù)必對(duì)此任務(wù)設(shè)置超時(shí),否則處理該任務(wù)的線程可能會(huì)一直阻塞下去
線程池中的任務(wù)最好不要同步等待其它任務(wù)的結(jié)果
總結(jié)
本節(jié)我們從CPU開始一路來到常用的線程池,從底層到上層、從硬件到軟件。注意,這里通篇沒有出現(xiàn)任何特定的編程語言,線程不是語言層面的概念(依然不考慮用戶態(tài)線程),但是當(dāng)你真正理解了線程后,相信你可以在任何一門語言下用好多線程,你需要理解的是道,此后才是術(shù)。
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評(píng)論