我对多线程与编程效率的认知

 

因为项目里多线程用的很多，所以也小小深入的研究了下多线程与编程效率问题。一直想写这篇文章，但是没时间写。现在我来谈谈我的认知。

引用网上一个浅显的例子来解释多线程:

CPU是一个挖隧道的工人。有两种开挖隧道的方法：

1.      只在山的一头挖，直到挖到山的另一头，从而打通隧道，完成任务。这是单线程。

2.      在山的两头向中间挖，同时开工，最后在山的中间接通，从而打通隧道，这感觉肯定比第一种方法快多了，这就是多线程。

但是，是这样简单的吗？当然不是。如果我们只有1个人，也就是只有1个CPU，如果只跑这2个任务，那么，这个工人只有山的两头跑，这头挖一会，再去挖那一头，以实现上面第二种多线程方案。但是，这样的效率远不如单线程高，因为来回跑是要花费额外时间的。这就好比线程的调度和上下文切换。

那么，我们是不是可以说，在单CPU的机器中，多线程反而降低了效率呢？

 

答案很明显，当然不是。以上的假设只是在单CPU单核、纯计算、没IO的理想CPU状态，单个线程肯定比多个线程快，因为省去了线程切换的开销。但真实的环境基本都有IO操作，所以线程会有阻塞的存在（比如为了等待硬盘操作，某一线程被挂起），因此，当某个任务被阻塞了，如果程序是单线程的，那么，整个程序就停下了。如果是多线程，那么其他没有阻塞的线程还可以继续执行，所以就快了。可以说，从性能上，如果没有线程阻塞，那么单CPU上的多线程就没有任何意义了。

我们在加上现实的环境。现代操作系统都是多用户多任务的系统。因此，CPU时间是由操作系统进行分配。因为除了你的程序外，系统上海由其他若干任务（包括操作系统本身）在跑，所以你的程序不会连续时间在跑。因此，多线程是相当有必要的。是提高程序效率的最好途径之一。但是不是任何情况下都要多线程呢？当然也不是。这也需要根据情况来看。

 

再举个编程上的例子。假设有一个数据库。在同一时间内，有很多用户需要访问这个数据库。那么，我们怎么设计这个数据库连接呢？这就需要分情况：

如果这么多用户都访问数据库中的同一个表（或者仅2~3个表），由于数据库锁的设计成同一时间只允许一个连接访问某一个表。因此，在这种状态下，设计成单线程是最好的。因为很多用户的访问会在单线程内形成一个队列，轮流去查询这个表。如果设计成多线程连接数据库，那么，这么多线程还是会等待，轮流去查询这个表。但是由于有线程的上下文切换时间以及调度时间存在，所以，多线程效率毫无疑问远不如单线程高。

但是如果如此多的用户去访问很多不同的表，那么，根据上面的原理，效率无疑比单线程高多了。

 

回到一开头CPU挖山的例子。我们套上正确的多线程的思想，那么，此例应该如下：

如果一个机器人代表CPU，那么这个机器人一天所做的事情，并不都是只挖山。它还有许多事情要做，比如砍柴，烧水，钓鱼，挖山等等。

如果按以上划分是4条线程，每一个线程大概占用1/4 CPU时间。如果你把挖山这一任务多设几次，比如设定成挖山共有3条线程。那么挖山的CPU占用率将达到1/2，这就是所谓的提高了效率。

现实中的CPU 在大部分时候的闲置状态的。因此开多条线程能提高效率，倒不如说成是充分利用了CPU执行时间。