多线程的优点

原文:http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/benefits.html

作者:Jakob Jenkov        翻译:古圣昌            校对:欧振聪

尽管面临很多挑战,多线程有一些优点使得它一直被使用。这些优点是:

  • 资源利用率更好
  • 程序设计在某些情况下更简单
  • 程序响应更快

资源利用率更好

想象一下,一个应用程序需要从本地文件系统中读取和处理文件的情景。比方说,从磁盘读取一个文件需要5秒,处理一个文件需要2秒。处理两个文件则需要:

1 5秒读取文件A
2 2秒处理文件A
3 5秒读取文件B
4 2秒处理文件B
5 ---------------------
6 总共需要14

从磁盘中读取文件的时候,大部分的CPU时间用于等待磁盘去读取数据。在这段时间里,CPU非常的空闲。它可以做一些别的事情。通过改变操作的顺序,就能够更好的使用CPU资源。看下面的顺序:

1 5秒读取文件A
2 5秒读取文件B + 2秒处理文件A
3 2秒处理文件B
4 ---------------------
5 总共需要12

CPU等待第一个文件被读取完。然后开始读取第二个文件。当第二文件在被读取的时候,CPU会去处理第一个文件。记住,在等待磁盘读取文件的时候,CPU大部分时间是空闲的。

总的说来,CPU能够在等待IO的时候做一些其他的事情。这个不一定就是磁盘IO。它也可以是网络的IO,或者用户输入。通常情况下,网络和磁盘的IO比CPU和内存的IO慢的多。

程序设计更简单

在单线程应用程序中,如果你想编写程序手动处理上面所提到的读取和处理的顺序,你必须记录每个文件读取和处理的状态。相反,你可以启动两个线程,每个线程处理一个文件的读取和操作。线程会在等待磁盘读取文件的过程中被阻塞。在等待的时候,其他的线程能够使用CPU去处理已经读取完的文件。其结果就是,磁盘总是在繁忙地读取不同的文件到内存中。这会带来磁盘和CPU利用率的提升。而且每个线程只需要记录一个文件,因此这种方式也很容易编程实现。

程序响应更快

将一个单线程应用程序变成多线程应用程序的另一个常见的目的是实现一个响应更快的应用程序。设想一个服务器应用,它在某一个端口监听进来的请求。当一个请求到来时,它去处理这个请求,然后再返回去监听。

服务器的流程如下所述:

1 while(server is active){
2     listen for request
3     process request
4 }

如果一个请求需要占用大量的时间来处理,在这段时间内新的客户端就无法发送请求给服务端。只有服务器在监听的时候,请求才能被接收。另一种设计是,监听线程把请求传递给工作者线程(worker thread),然后立刻返回去监听。而工作者线程则能够处理这个请求并发送一个回复给客户端。这种设计如下所述:

1 while(server is active){
2     listen for request
3     hand request to worker thread
4 }

这种方式,服务端线程迅速地返回去监听。因此,更多的客户端能够发送请求给服务端。这个服务也变得响应更快。

桌面应用也是同样如此。如果你点击一个按钮开始运行一个耗时的任务,这个线程既要执行任务又要更新窗口和按钮,那么在任务执行的过程中,这个应用程序看起来好像没有反应一样。相反,任务可以传递给工作者线程(word thread)。当工作者线程在繁忙地处理任务的时候,窗口线程可以自由地响应其他用户的请求。当工作者线程完成任务的时候,它发送信号给窗口线程。窗口线程便可以更新应用程序窗口,并显示任务的结果。对用户而言,这种具有工作者线程设计的程序显得响应速度更快。

(全文完)

### 多线程编程的优势 多线程编程作为一种高效的并发机制,在现代软件开发中具有广泛的应用价值。以下是多线程编程的主要优势: #### 1. **创建速度快** 相比于多进程,线程的创建和销毁成本更低,因为线程是在同一个进程中运行,无需像进程那样分配独立的内存空间和其他资源[^4]。 #### 2. **高效的数据共享** 在同一进程中,多个线程可以访问相同的虚拟地址空间,这意味着它们可以直接共享数据而无需通过复杂的跨进程通信(IPC)手段,如管道、消息队列或共享内存。 #### 3. **较低的上下文切换开销** 由于线程属于同一进程,因此在进行上下文切换时不需要改变地址空间、修改寄存器状态或者刷新翻译后备缓冲区(TLB),这使得线程间的切换效率更高。 #### 4. **充分利用CPU资源** 多线程编程的核心目标之一就是优化CPU利用率。通过并行执行多个任务,程序可以在等待I/O操作完成的同时继续处理其他逻辑,从而显著提高整体性能[^3]。 --- ### 多线程编程的应用场景 基于上述优点多线程编程适用于以下典型场景: #### 1. **高响应性的应用程序** 例如Web服务器、图形界面应用等需要同时处理大量请求的任务。在这种情况下,使用多线程可以让每个请求由单独的线程负责,确保即使某些请求耗时较长也不会阻塞整个系统的正常运作。 #### 2. **混合型工作负载** 当一个程序既包含计算密集型又包含I/O密集型的操作时,可以通过多线程来平衡这两种不同类型的工作负荷。比如在一个视频编辑工具中,一部分线程用于读取文件(I/O绑定),另一部分则专注于图像渲染(CPU绑定)。 #### 3. **实时系统** 对于要求低延迟反馈的环境,如金融交易系统或工业控制系统,多线程可以帮助快速响应外部事件而不受内部复杂运算的影响。 #### 4. **异步任务管理** 在网络爬虫或其他涉及频繁网络交互的应用里,开启多个线程分别下载不同网页的内容可大幅缩短总时间消耗。 --- ```python import threading def task(name): print(f"Thread {name} is running") threads = [] for i in range(5): t = threading.Thread(target=task, args=(i,)) threads.append(t) t.start() for t in threads: t.join() ``` 以上代码展示了如何利用Python标准库`threading`模块轻松启动五个子线程各自打印编号信息的例子。 ---
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