多线程发展史

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于 2024-04-21 15:39:50 首次发布

本文详细讲述了多线程技术的起源，从早期的纸带机、单道批处理系统，到多道批处理系统和多线程的出现，以及多线程如何通过时间片和多核CPU提高CPU利用效率。文章还比较了线程与进程的区别，讨论了线程的生命周期和创建方法。

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线程这个词，我们都很熟悉，写代码的时候也都用过多线程，可是，你知道多线程是怎么被我们聪明人类发明而来的吗？了解了多线程的发展历程，和每个阶段核面临要解决的问题，你就自然而然的理解了为什么现在多线程是这样设计的，下次面试也有了吹牛的底气。知其然，更要知其所以然。

多线程的发展历程

1）纸带机

在最开始的时候，计算机是通过穿孔打卡实现的，将程序预先写到纸上，穿孔成卡片，将卡片上的程序输入到计算机上，计算机运行完当前的任务之后，把结果从打印机上进行输出，然后计算机等待下一个程序的输入。
在这里插入图片描述这种处理会造成计算机极大空闲。比如程序输入时，计算机是处在等待输入的空闲状态的。

2）单道批处理系统

为了减少机器的空闲等待时间，后续出现了单道批处理系统，系统对作业处理是成批进行的。需要把一批作业输入到磁带上，使得程序能一个接一个的连续处理，但是在内存中始终值保持一道作业。由于内存中只有一道程序，在程序运行中涉及IO操作较多时，CPU只能阻塞直到该IO完成，因此造成CPU资源浪费。
在这里插入图片描述

3）多道批处理系统

为了更高的利用CPU资源，便出现了多道程序的设计。系统中存在多个程序，当一个进程需要等待IO操作完成时，CPU可以切换到另一个进程。任务执行的这一小段时间叫做时间片，由于CPU在不同的进程间进行时间片切换，CPU的执行效率非常高，时间短，所以可以让操作系统从宏观层面看，是多应用并行运行。在CPU微观层面上，对于单核CPU来说，一个时刻只有一个进程在执行，底层就是通过CPU时间片不断切换来实现的。

在这里插入图片描述

4）多线程

为了对CPU进一步的压榨，将进程再进行切分更小的颗粒，这些进程的小颗粒可以并行执行，共享进程的资源，如同上面介绍的多道批处理系统一样的原理，从而提高了进程整体的执行速度。这些小颗粒就是线程，这就像学习物质组成一样，分子，再到原子，再到原子核、电子等类似的原理。后续由于硬件的发展，随着多核CPU等计算机的出现，多核CPU利用多线程实现了真正意义上的并行执行。多线程可以提高程序的并发和响应，减少切换开销，并且可以方便地共享数据。

5）纤程（协程）

随着技术的发展现在出现了纤程，纤程是用户管理的线程，是一种更轻量级的线程。线程属于操作系统管理。每一个线程创建都需要向操作系统申请创建，与操作系统交互，这样每启一个线程的代价都很高。一个线程可以拥有多个纤程。纤程目前使用的还不是很广，大多数还是使用的线程。

线程VS进程

通过上述介绍，我们知道，计算机最开始都是围绕着进程进行优化，那为什么有了进程，后面又有了线程呢？

进程是一个“执行中的程序”，例如我们的淘宝app就是一个进程，进程可以看作一个独立的应用。它是系统进行资源分配的基本单位。创建进程需要通过系统调用来分配内存空间、加载程序代码、设置进程环境等。进程的管理也需要通过系统调用来实现，比如进程的调度、进程的终止、进程的通信等。进程独占内存空间，保存各自的运行状态，相互间不打扰。进程切换时，涉及到当前进程的CPU环境的保存和被调度运行进程的CPU环境的设置。

线程是进程的一个实体，一个进程拥有多个线程，例如淘宝的订单页面，可能包含获取订单商品详情的线程、获取订单的线程等，两个线程同时执行，当然要比一个线程线性执行要快。一个进程的线程之间共享地址空间和其它资源，所以通信和同步等操作线程比进程更加容易。线程是CPU运行的基本单位，CPU调度的基本单位。线程切换仅需要保存和设置少量的寄存器内容，不涉及存储管理方面的操作。多核CPU利用多线程，实现了真正意义上的并行执行。

一个进程，会存在多个同时执行的任务，如果一个任务被阻塞，将会引起不依赖该任务的任务也被阻塞，通过对不同任务创建不同的线程去单独执行，可以提升程序的运行速度，提高CPU的利用效率。线程可以认为是轻量级的进程，线程的创建、销毁比进程更快。

既然线程有这么多好处，那是不是线程越多效率越高呢？

当然不是，多线程，意味着cpu要进行频繁的上下文切换，切换也是需要消耗资源的，（上下文切换：将原来执行的线程数据保存起来，将将要执行的线程数据加载进来执行）。因此如果线程太多，时间都耗费在了上下文切换上了。

线程和进程都可以进行相互切换的，那他们之间在切换时，通讯有什么区别呢？

进程依赖IPC资源，例如：管道、套接字等。线程间通讯依靠JVM提供的API,例如wait()、notify()、notifyAll()等方法，线程间还可以通过共享的主内存来进行值的传递，因此线程之间的通信通常比进程之间的通信更快，更易于实现。

说了这么多，总之进程和线程的主要区别在于它们的内存空间和资源共享方式、创建和管理的系统调用数量、以及它们的通信方式。进程是独立的，有自己的内存空间和资源，而线程则共享它们所在的进程的内存和资源。进程需要更多的系统调用进行创建和管理，而线程是在进程内部创建的，只需要较少系统调用。进程需要使用IPC资源进行通信，而线程可以直接通信。

说了这么多线程内部实现机制，那我们怎么在代码中启动一个线程呢？线程的生命周期是什么样的呢？我们下一期详细介绍。