Paste_Image.png

前言

在打算寫這篇多線層底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制的時(shí)候，突然發(fā)現(xiàn)自己對(duì)于計(jì)算機(jī)竟然懂得這么表面赁濒，對(duì)于CPU的工作原理都不完全清楚轨奄，于是又轉(zhuǎn)頭查看了一些CPU相關(guān)的資料。也不敢鉆的太深拒炎，怕自己迷路...挪拟，其中如有錯(cuò)誤，望知道的朋友在下面留言評(píng)論击你，我會(huì)及時(shí)更新的舞丛。

關(guān)于CPU

CPU(中央處理器)顧名思義是電腦中處理器的總部（電腦里幾個(gè)重要的硬件都自帶的有自己的處理器，比如果漾，GPU是顯卡自己的處理器等）球切，負(fù)責(zé)整個(gè)電腦的運(yùn)行調(diào)度。它是指揮者绒障，所以最底層的一些工作并不是由CPU來(lái)完成的吨凑。CPU以及高的速度再運(yùn)轉(zhuǎn)，它的運(yùn)行是由一串串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)通過(guò)硅晶版上的晶體管實(shí)現(xiàn)的户辱，那一波波的數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度鸵钝，就是CPU那傳說(shuō)中的主頻。

CPU的主頻與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力并沒有直接關(guān)系庐镐。如今的CPU工藝先進(jìn)恩商，運(yùn)算流水線短，其主頻的高低在一定意義上又可以體現(xiàn)CPU性能的高低必逆。CPU的主頻不代表CPU的速度怠堪，但提高主頻對(duì)于提高CPU運(yùn)算速度卻是至關(guān)重要的。

關(guān)于CPU使用率名眉，其實(shí)就是你運(yùn)行的程序占用的CPU資源粟矿，表示你的機(jī)器在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)行程序的情況。使用率越高损拢，說(shuō)明你的機(jī)器在這個(gè)時(shí)間上運(yùn)行了很多程序陌粹，反之較少。使用率的高低與你的CPU強(qiáng)弱有直接關(guān)系福压。現(xiàn)代分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)對(duì) CPU 都是分時(shí)間片使用的：比如A進(jìn)程占用10ms掏秩，然后B進(jìn)程占用30ms或舞，然后空閑60ms，再又是A進(jìn)程占10ms蒙幻，B進(jìn)程占30ms映凳，空閑60ms;如果在一段時(shí)間內(nèi)都是如此，那么這段時(shí)間內(nèi)的占用率為40%杆煞。CPU對(duì)線程的響應(yīng)并不是連續(xù)的魏宽，通常會(huì)在一段時(shí)間后自動(dòng)中斷線程腐泻。未響應(yīng)的線程增加决乎，就會(huì)不斷加大CPU的占用。

操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)派桩，可以歸結(jié)為三點(diǎn)：

• （1）以多進(jìn)程形式构诚，允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行；
• （2）以多線程形式铆惑，允許單個(gè)任務(wù)分成不同的部分運(yùn)行范嘱；
• （3）提供協(xié)調(diào)機(jī)制，一方面防止進(jìn)程之間和線程之間產(chǎn)生沖突员魏，另一方面允許進(jìn)程之間和線程之間共享資源丑蛤。

關(guān)于CPU的詳細(xì)介紹可以看這里

關(guān)于多核、多處理器撕阎、多線程

了解了CPU的工作機(jī)制受裹，我們?cè)賮?lái)分析一下CPU的多核、多處理器虏束，與多線程棉饶。也許有人會(huì)問：“了解這些有什么卵用”，其實(shí)在我看來(lái)镇匀，詳細(xì)了解這些硬件對(duì)于我們理解多線程技術(shù)的必要性和開展多線程編程都是很必要的照藻，可以提供宏觀的理論依據(jù)。

多核

CPU的性能主要靠提高核心工作頻率來(lái)提高汗侵，由于物理限制幸缕，不能把CPU的核心頻率無(wú)限提高，所以發(fā)展出來(lái)雙核心或多核心的CPU晰韵。相當(dāng)于在一枚處理器上集成多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核)冀值，他們共享緩存，內(nèi)存宫屠，寄存器等列疗。

核，是物理的浪蹂，幾核就是真的有幾個(gè)物理核心抵栈。線程就是英特爾的超線程技術(shù)告材。是在一個(gè)實(shí)體處理器中，提供兩個(gè)邏輯線程古劲。線程是虛擬的斥赋，不是真實(shí)存在的。但性能上产艾，會(huì)模擬真實(shí)的核疤剑。也就是說(shuō)，雙核4線程闷堡，看起來(lái)很像4核隘膘，但比真實(shí)的4核4線程慢，卻比雙核雙線程快杠览。

手機(jī)多核其實(shí)應(yīng)該叫多CPU,將多個(gè)CPU芯片封裝起來(lái)處理不同的事情弯菊，你甚至可以戲稱為“膠水核心”，也就是被強(qiáng)行粘在一起的意思踱阿。在待機(jī)或者空閑的時(shí)候管钳，八核的手機(jī)也只能用到一到兩個(gè)核心。

而電腦則不同软舌，PC的多核處理器是指在一個(gè)處理器上集成了多個(gè)運(yùn)算核心才漆，通過(guò)相互配合、相互協(xié)作可以處理同一件事情佛点，是多個(gè)并行的個(gè)體封裝在了一起醇滥。用一句話概括，就是并行處理恋脚，雙核就是單車道變多車道
我們都知道智能手機(jī)都是有CPU的腺办，iPhone6使用的A8處理器是一款雙核處理器。

多處理器(多CPU)

多處理器系統(tǒng)是指包含兩臺(tái)或多臺(tái)功能相近的處理器(多CPU)糟描，處理器之間彼此可以交換數(shù)據(jù)怀喉，所有處理器共享內(nèi)存，I/O設(shè)備船响，控制器躬拢，及外部設(shè)備，整個(gè)硬件系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制见间，在處理器和程序之間實(shí)現(xiàn)作業(yè)聊闯、任務(wù)、程序米诉、數(shù)組極其元素各級(jí)的全面并行菱蔬。目前主流的服務(wù)器架構(gòu)，超級(jí)計(jì)算機(jī)等等，都是多CPU多核架構(gòu)拴泌。

多線程

多線程是為了使得多個(gè)線程并行的工作以完成多項(xiàng)任務(wù)魏身，以提高系統(tǒng)的效率。線程是在同一時(shí)間需要完成多項(xiàng)任務(wù)的時(shí)候被實(shí)現(xiàn)
的蚪腐。

多線程實(shí)現(xiàn)的相關(guān)討論

下面進(jìn)入到正餐了箭昵，在討論多線程之前，我們需要先認(rèn)識(shí)一下回季，進(jìn)程家制、線程，以及相關(guān)值得注意的問題泡一。

什么是線程颤殴、進(jìn)程

來(lái)來(lái)來(lái)，先讀一個(gè)有趣的故事《進(jìn)程與線程的一個(gè)簡(jiǎn)單解釋》,淺顯易懂,生動(dòng)形象地解釋了多項(xiàng)成相關(guān)的很多典型問題瘾杭。通過(guò)上文我們大致可以宏觀了解這些問題了诅病。

進(jìn)程： 進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)哪亿，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位粥烁，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中已運(yùn)行程序的實(shí)體蝇棉。其本身并不是幾部運(yùn)行單位讨阻，是線程的容器。
線程： 線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位篡殷。線程是一組指令的集合它被包含在進(jìn)程之中钝吮，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流板辽，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程奇瘦，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。線程是獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位劲弦。同一進(jìn)程中的多條線程將共享該進(jìn)程中的全部系統(tǒng)資源耳标，但是自有調(diào)用堆棧和寄存器環(huán)境。

線程邑跪、進(jìn)程的不同

主線程在程序中的地位和其他線程不同次坡，它是其他線程最終的父線程，且所有界面的顯示操作即AppKit或 UIKit的操作必須在主線程進(jìn)行画畅。

進(jìn)程和線程都是操作系統(tǒng)的概念砸琅。進(jìn)程是應(yīng)用程序的執(zhí)行實(shí)例，每個(gè)進(jìn)程是由私有的虛擬地址空間轴踱、代碼症脂、數(shù)據(jù)和其它各種系統(tǒng)資源組成。

線程和進(jìn)程十分相似，不同的只是線程比進(jìn)程小诱篷。首先沸版，線程采用了多個(gè)線程可共享資源的設(shè)計(jì)思想；例如兴蒸，它們的操作大部分都是在同一地址空間進(jìn)行的视粮。其次，從一個(gè)線程切換到另一線程所花費(fèi)的代價(jià)比進(jìn)程低橙凳。再次蕾殴，進(jìn)程本身的信息在內(nèi)存中占用的空間比線程大，因此線程更能允分地利用內(nèi)存岛啸。

線程是進(jìn)程的一部分
CPU調(diào)度的是線程
系統(tǒng)為進(jìn)程分配資源钓觉，不對(duì)線程分配資源

進(jìn)程和線程的關(guān)系：

一個(gè)線程只能屬于一個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程坚踩，但至少有一個(gè)線程荡灾。 資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源瞬铸。 處理機(jī)分給線程批幌，即真正在處理機(jī)上運(yùn)行的是線程。 線程在執(zhí)行過(guò)程中嗓节，需要協(xié)作同步荧缘。不同進(jìn)程的線程間要利用消息通信的辦法實(shí)現(xiàn)同步。

為什么要實(shí)現(xiàn)多線程

多線程技術(shù)的出現(xiàn)拦宣，主要是因?yàn)槎嗳蝿?wù)的需要截粗，比如我想同時(shí)寫文章和聽歌，如果我們的CPU一直被寫文章的任務(wù)占著鸵隧，等寫文章的任務(wù)結(jié)束后绸罗，再播放歌曲，很顯然達(dá)不到需要的“同時(shí)”做兩件事的效果豆瘫。

多線程的出現(xiàn)也是多核CPU珊蟀、多處理器計(jì)算機(jī)普及的需要，這樣可以提高CPU的利用率靡羡，增加并發(fā)性系洛，提高程序的執(zhí)行效率，更快的處理完任務(wù)略步。

在一些等待的任務(wù)實(shí)現(xiàn)上如用戶輸入描扯、文件讀寫和網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)等，線程就比較游泳了趟薄。在這種情況下我們可以釋放一些珍貴的資源如內(nèi)存占用等等绽诚。

多線程為何能實(shí)現(xiàn)

單就一個(gè)CPU而言兩個(gè)線程可以解決線程阻塞造成的不流暢問題，其本身運(yùn)行效率并沒有提高，多CPU的并行運(yùn)算才真正解決了運(yùn)行效率問題恩够，這也正是并發(fā)和并行的區(qū)別卒落。當(dāng)然，不管是多核還是單核開發(fā)人員不用過(guò)多的擔(dān)心蜂桶，因?yàn)槿蝿?wù)具體分配給幾個(gè)CPU運(yùn)算是由系統(tǒng)調(diào)度的儡毕，開發(fā)人員不用過(guò)多關(guān)心系統(tǒng)有幾個(gè)CPU。開發(fā)人員需要關(guān)心的是線程之間的依賴關(guān)系扑媚，因?yàn)橛行┎僮鞅仨氃谀硞€(gè)操作完成完才能執(zhí)行腰湾，如果不能保證這個(gè)順序勢(shì)必會(huì)造成程序問題。
每個(gè)線程被分配一個(gè)時(shí)間段疆股，稱作它的時(shí)間片费坊，即該進(jìn)程允許運(yùn)行的時(shí)間，使各個(gè)程序從表面上看是同時(shí)進(jìn)行的旬痹。如果在時(shí)間片結(jié)束時(shí)進(jìn)程還在運(yùn)行附井，則CPU將被剝奪并分配給另一個(gè)進(jìn)程。如果進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束两残，則CPU當(dāng)即進(jìn)行切換永毅。而不會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)。在宏觀上：我們可以同時(shí)打開多個(gè)應(yīng)用程序磕昼，每個(gè)程序并行不悖卷雕，同時(shí)運(yùn)行节猿。但在微觀上：由于只有一個(gè)CPU票从，一次只能處理程序要求的一部分，如何處理公平滨嘱，一種方法就是引入時(shí)間片峰鄙，每個(gè)程序輪流執(zhí)行。調(diào)度程序所要做的就是維護(hù)一張就緒進(jìn)程列表太雨，當(dāng)進(jìn)程用完它的時(shí)間片后吟榴，它被移到隊(duì)列的末尾。

每個(gè)進(jìn)程都有私有的虛擬地址空間囊扳，進(jìn)程的所有線程共享同一地址空間吩翻。每個(gè)線程被CPU分配一個(gè)時(shí)間片，一旦被激活锥咸，它正常運(yùn)行直到時(shí)間片耗盡并被掛起狭瞎，此時(shí)，操作系統(tǒng)選擇另一個(gè)線程進(jìn)行運(yùn)行搏予。通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)熊锭，又出于各個(gè)時(shí)間片很小（20毫秒級(jí)），看起來(lái)就像多個(gè)線程同時(shí)在工作碗殷。實(shí)際上精绎，只有在多處理器系統(tǒng)上才是真正的在可得到的處理器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程。

從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程是需要一定時(shí)間的--保存和裝入寄存器值及內(nèi)存映像锌妻，更新各種表格和隊(duì)列等代乃。假如進(jìn)程切換(process switch) - 有時(shí)稱為上下文切換(context switch)，需要5毫秒仿粹，再假設(shè)時(shí)間片設(shè)為20毫秒襟己，則在做完20毫秒有用的工作之后，CPU將花費(fèi)5毫秒來(lái)進(jìn)行進(jìn)程切換牍陌。CPU時(shí)間的20%被浪費(fèi)在了管理開銷上擎浴。

時(shí)間片設(shè)得太短會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的進(jìn)程切換，降低了CPU效率毒涧；而設(shè)得太長(zhǎng)又可能引起對(duì)短的交互請(qǐng)求的響應(yīng)變差贮预。將時(shí)間片設(shè)為100毫秒通常是一個(gè)比較合理的折衷。

線程越多越好嗎

線程多了可以提高程序并行執(zhí)行的速度契讲，但是并不是越多越好仿吞。
其一，每個(gè)線程都要占用內(nèi)存捡偏，多線程就意味著更多的內(nèi)存資源被占用唤冈，開啟線程需要占用一定的內(nèi)存空間（默認(rèn)情況下，主線程占用1M银伟，子線程占用512KB）你虹，如果開啟大量的線程，會(huì)占用大量的內(nèi)存空間彤避，降低程序的性能傅物。
其二，從微觀上講琉预，一個(gè)cpu不是同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程的董饰，他是輪流執(zhí)行的，所以線程太多圆米，cpu必須不斷的在各個(gè)線程間快回更換執(zhí)行卒暂，線程間的切換無(wú)意間消耗了許多時(shí)間，所以cpu有效利用率反而是下降的

開發(fā)中實(shí)現(xiàn)多線程的方案

Mach是第一個(gè)以多線程方式處理任務(wù)的系統(tǒng)娄帖，因此多線程的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制是基于Mach的線程也祠。
然后開發(fā)中很少用Mach級(jí)的線程，因?yàn)镸ach級(jí)的線程沒有提供多線程的基本特征块茁，線程之間是獨(dú)立的

多線程的方案有以下幾種

• C語(yǔ)言的POSIX接口方案

  Pthreads定義了一套C語(yǔ)言的類型齿坷、函數(shù)與常量桂肌，它以pthread.h頭文件和一個(gè)線程庫(kù)實(shí)現(xiàn)。線程庫(kù)實(shí)行了POSIX線程標(biāo)準(zhǔn)通常稱為Pthreads永淌。POSIX線程具有很好的可移植性崎场，使用pthreads編寫的代碼可運(yùn)行于Solaris、FreeBSD遂蛀、Linux 等平臺(tái)谭跨，Windows平臺(tái)亦有pthreads-win32可供使用。而且你需要手動(dòng)處理線程的各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換即管理生命周期李滴，比如螃宙，這段代碼雖然創(chuàng)建了一個(gè)線程，還需要銷毀這個(gè)線程所坯。感興趣的朋友谆扎，或者說(shuō)想要自己實(shí)現(xiàn)一套多線程方案，從底層開始定制芹助，那么可以去搜一下相關(guān)資料研究一下堂湖。

• OC的NSThread方案。是對(duì)POSIX thread的封裝
• C語(yǔ)言的GCD接口方案（性能最好状土，代碼更精簡(jiǎn)）无蜂。
• OC的NSOperation和NSOperationQueue（基于GCD）方案。

小結(jié)

本文洋洋灑灑寫了好多看似跟多線程無(wú)關(guān)的東西蒙谓，其實(shí)我認(rèn)為這些對(duì)之后多線程的學(xué)習(xí)是有幫助的斥季，如果你認(rèn)真對(duì)了本文，相信你會(huì)對(duì)多線程有更深的理解累驮，作為多線程系列的開胃菜酣倾，本文到此就結(jié)束了，后續(xù)會(huì)陸續(xù)發(fā)布多線程相關(guān)的文章慰照，如有不對(duì)之處灶挟，還望觀看的朋友，在下面的評(píng)論區(qū)指出毒租，thanks.