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多线程一定能优化程序性能吗?

高工
2024-07-22 10:09:13     打赏
问:如果一个和尚挑水喝,两个和尚抬水喝,三个和尚没水喝,那么众人拾柴一定火焰高吗?

多线程一定能提高程序性能吗?在计算机科学中,这个问题的标准答案是“it depends”,看情况。

计算机中的一切设计都是为了更加高效的利用硬件资源,包括:CPU、内存、IO等,我们一样一样来了解一下。


多线程与CPU

多线程与CPU是程序员了解的最多的,我们知道多线的目的之一在于充分利用多核,但这里有个前提就是你要处理的任务真的能拆分成独立的子任务。image.png举个例子,如果你想对一个数组所有元素的和,那么这个任务就可以拆分成为两个独立的子任务:任务A计算前一半数组元素的和,任务B计算后一半数组元素的和,然后任务A和任务B分别交给两个线程来执行。如果是在多核系统下这类多线程并行处理将显著提高程序性能,但这种使用多线程充分利用多核带来的性能提升是有上限的。道理很简单,这就好比盖房子,盖房子算是个不大不小的工程,让一个人来完成也不是不可以,但再来六七个人显然能加快工程速度,但是再来成百上千工人来盖一栋房子可能速度反而会变慢,毕竟资源是有限的(可用的工具等),人一多需要用在协调上的时间就会变多,多线程也是同样的道理,当线程数量超过某个临界点时操作系统就开始忙不过来了(频繁调度切换),我称之为三个和尚没水喝现象。image.png但如果系统是单核的,那么这种任务拆分则不会有什么效果,因为不管你创建多少线程真正工作的CPU只有一个。当然也有可能我们根本就不能对任务进行拆分,像计算斐波那契数列这类问题,如果你不能计算出f(n-1)与f(n-2)的解,那么你根本就没有办法计算出当前问题f(n)的解,被拆分的两个任务A和B有前后依赖关系,这时多线程就没有用武之地了。还有一种可能,就是你的问题规模非常小,如果这个数组是有几百几千个元素,那么这时你使用多线程意义不大,这时使用多线程带来的收益不足以抵消掉多线程带来的性能开销。

多线程与IO

多线程一定能提升程序的IO性能吗?答案显然不是的。最简单的场景是这样的,你的程序需要从一个速度极慢的网络链接上读写数据,在这种情况下一个线程很可能就足以应付的过来,创建多个线程反而可能对程序性能有损。相同的情况也会出现在磁盘上,一个线程可能就已经将磁盘打满,这时创建多个线程去读写文件显然不能加快程序的处理速度。image.png而在服务器端,程序员也使用多线程加快程序处理速度,在这里,一个典型的问题是阻塞式网络IO会导致调用线程被挂起而暂停运行,此时最简单的方法就是创建多个线程,每个线程处理一个请求,但随着请求的增多创建的线程也会越来越多,此时三个和尚没水喝现象开始出现,IO多路复用技术可以很好的解决这一问题。当然,如果你的场景是IO会阻塞住处理线程,那么此时创建两个线程,一个负责处理数据,一个负责等待IO,那么这显然会提高程序性能。

多线程与内存

内存其实和磁盘一样,也是有读写带宽上限的,但我们的程序一般都不会达到内存读写带宽上限,这并不是瓶颈。瓶颈在于多线程共享的内存资源(数据)以及多核系统的cache一致性问题。一般来说,对于多线程共享资源通常需要互斥访问,然而为加快内存读写速度,现代处理器中都有cache系统(L1、L2、L3),每个核心都有自己的cache,这些cache会缓存内存数据,也就是说一份数据可能会同时存在于内存以及各个核心的cache中,这就会带来经典的数据一致性问题:某个核心修改了cache中的数据后需要将其同步给其它核心,这就要求cache系统中必须有能确保一致性的协议,否则程序可能会读取到错误的(过期的)数据。image.png然而这种同步是有性能损耗的,多个线程频繁操作同一个变量可能导致处理器cache系统需要频繁在各个核心之间进行同步,极端情况下多线程程序性能甚至比单线程要差。因此多线程之间能不共享数据就不要共享,如果一定要共享,那么就尽量将其控制在最小范围,读写频次控制到最少。






关键词: 多线程     优化    

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