多線程和異步

隨着擁有多個硬線程CPU(超線程、雙核)的普及,多線程和異步操作等併發程序設計方法也受到了更多的關注和討論。
  多線程和異步操作的異同
  多線程和異步操作兩者都可以達到避免調用線程阻塞的目的,從而提高軟件的可響應性。甚至有些時候我們就認爲多線程和異步操作是等同的概念。但是,多線程和異步操作還是有一些區別的。而這些區別造成了使用多線程和異步操作的時機的區別。
  異步操作的本質
  所有的程序最終都會由計算機硬件來執行,所以爲了更好的理解異步操作的本質,我們有必要了解一下它的硬件基礎。 熟悉電腦硬件的朋友肯定對DMA這個詞不陌生,硬盤、光驅的技術規格中都有明確DMA的模式指標,其實網卡、聲卡、顯卡也是有DMA功能的。DMA就是直接內存訪問的意思,也就是說,擁有DMA功能的硬件在和內存進行數據交換的時候可以不消耗CPU資源。只要CPU在發起數據傳輸時發送一個指令,硬件就開始自己和內存交換數據,在傳輸完成之後硬件會觸發一箇中斷來通知操作完成。這些無須消耗CPU時間的I/O操作正是異步操作的硬件基礎。所以即使在DOS這樣的單進程(而且無線程概念)系統中也同樣可以發起異步的DMA操作。
  線程的本質
  線程不是一個計算機硬件的功能,而是操作系統提供的一種邏輯功能,線程本質上是進程中一段併發運行的代碼,所以線程需要操作系統投入CPU資源來運行和調度。
  異步操作的優缺點
  因爲異步操作無須額外的線程負擔,並且使用回調的方式進行處理,在設計良好的情況下,處理函數可以不必使用共享變量(即使無法完全不用,最起碼可以減少共享變量的數量),減少了死鎖的可能。當然異步操作也並非完美無暇。編寫異步操作的複雜程度較高,程序主要使用回調方式進行處理,與普通人的思維方式有些初入,而且難以調試。
  多線程的優缺點
  多線程的優點很明顯,線程中的處理程序依然是順序執行,符合普通人的思維習慣,所以編程簡單。但是多線程的缺點也同樣明顯,線程的使用(濫用)會給系統帶來上下文切換的額外負擔。並且線程間的共享變量可能造成死鎖的出現。
  適用範圍
  在瞭解了線程與異步操作各自的優缺點之後,我們可以來探討一下線程和異步的合理用途。我認爲:當需要執行I/O操作時,使用異步操作比使用線程+同步I/O操作更合適。I/O操作不僅包括了直接的文件、網絡的讀寫,還包括數據庫操作、Web Service、HttpRequest以及.Net Remoting等跨進程的調用。
  而線程的適用範圍則是那種需要長時間CPU運算的場合,例如耗時較長的圖形處理和算法執行。但是往往由於使用線程編程的簡單和符合習慣,所以很多朋友往往會使用線程來執行耗時較長的I/O操作。這樣在只有少數幾個併發操作的時候還無傷大雅,如果需要處理大量的併發操作時就不合適了。

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