你真的了解多線程嗎?

如果問你“為什么多線程可以提高程序運行效率?”，想必你會說“計算機并行執(zhí)行任務(wù)啊，當然效率高!” 這顯然不是一個內(nèi)行該給出的答案。要知道，一個 CPU 在任何時間點上只能干一件事情啊，如果執(zhí)行了指令 A，就不能執(zhí)行指令 B 了，何來并行呢?想要真正理解多線程，必須得先弄清 Linux 中的 I/O 機制。

什么是 Linux I/O ?

一般指文件讀取/寫入、網(wǎng)卡讀取/寫入。不管是文件 I/O，還是網(wǎng)卡 I/O，其準備數(shù)據(jù)速度都遠遠低于 CPU 處理數(shù)據(jù)的速度 。磁盤讀數(shù)據(jù)，毫秒級別，最慢。其次是網(wǎng)卡，微秒。再就是內(nèi)存，納秒，最快的是緩存。

下圖顯示了一個 Linux 進程(只有一個主線程)的執(zhí)行過程：

用戶進程向 CPU 發(fā)起 read 請求，CPU 向 DMA 發(fā)起 I/O 請求，DMA 再向磁盤發(fā)起 I/O 請求。這里的 DMA 全稱為 Direct Memory Access，你可以簡單理解為 CPU 內(nèi)存和磁盤之間的代理。

磁盤向 CPU 發(fā)起 I/O 中斷，CPU 拷貝數(shù)據(jù)，先是內(nèi)核態(tài) buffer，再到用戶態(tài) buffer。

用戶進程從內(nèi)核態(tài)切回用戶態(tài)，阻塞狀態(tài)結(jié)束，程序繼續(xù)執(zhí)行，直到結(jié)束。

上述流程中，用戶進程在拿到磁盤數(shù)據(jù)之前，只能原地等待，也就是處于阻塞狀態(tài)，這個時候 CPU 就空閑了，顯然造成了 CPU 資源的浪費。這個時候如果在該進程內(nèi)拉起另一個線程 T，那么 T 就可以見縫插針，在主線程等待數(shù)據(jù)的過程中， 把 CPU 的閑置資源利用起來，豈不美哉!這就是多線程技術(shù)的由來。

總有一些概念把人繞暈 -- 同步/異步、阻塞/非阻塞

在學習多線程技術(shù)的過程中，總有一些概念時不時蹦出來，比如同步/異步、阻塞/非阻塞，如果你是一位并發(fā)領(lǐng)域的高手，那么這些都是小兒科。如果你是一位初學者，那么你很可能陷入其中，不能自拔，從而最終放棄。接下來，我們嘗試終結(jié)這個問題，帶你爬出這個坑。

舉個例子：

假如某一天你要去銀行辦理某項業(yè)務(wù)，到了銀行，首先要憑身份證取個號。取完號之后，你發(fā)現(xiàn)這天人特別多，于是你就要等，等著被叫號。在等待的過程中，你可以有以下幾個選擇：

選擇 1： 啥也不干，死盯著銀行的液晶顯示屏，等到出現(xiàn)你的號碼時，你趕緊起身直奔柜臺，銀行叫號系統(tǒng)甚至還沒來得及叫你的號。那么，在這段時間內(nèi)，你就處于阻塞狀態(tài)，而且你和銀行叫號系統(tǒng)之間的關(guān)系是同步的。“阻塞”好理解，因為你啥也沒干嘛!“同步”怎么理解呢?因為你和銀行叫號系統(tǒng)的步調(diào)要保持一致，當顯示屏上出現(xiàn)你的號時，你就得立馬去柜臺辦業(yè)務(wù)，而銀行自動廣播喊你的功能對你來說，是沒必要的。

選擇 2：你還是啥也不干，但是你坐在座位上開始冥想，做著白日夢。因為你知道，輪到你的時候，銀行叫號系統(tǒng)會廣播叫你的。聽到廣播后，你再起身去柜臺也不遲。那么在這段時間內(nèi)，你還是處于阻塞狀態(tài)。而你和銀行叫號系統(tǒng)之間的關(guān)系是異步的，因為你不用再關(guān)注屏幕上滾動的號碼，輪到你的時候，自然它會廣播告訴你。

選擇 3：對于一個聰明的人，顯然不會坐在那傻等或者胡思亂想了。這時候，你拿起手機，決定打一把王者榮耀，打游戲的過程中，你還是時不時瞄一眼顯示屏，等看到你的號碼時，立馬起身去柜臺。那么這段時間內(nèi)，你就處于非阻塞狀態(tài)，因為你還干其他事了呀。但你和銀行叫號系統(tǒng)間的關(guān)系還是同步的。

選擇 4：如果你打算專心致志地玩一把王者榮耀，不想坑隊友。那么你就等著廣播叫你就可以了。那么這段時間內(nèi)，你就處于非阻塞的狀態(tài)，而且和銀行叫號系統(tǒng)之間的關(guān)系還是異步的。

好了，總結(jié)一下：

所謂阻塞就是請求者發(fā)起讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)調(diào)用時，當數(shù)據(jù)還沒準備好，這時如果函數(shù)一直在等待返回結(jié)果，就是阻塞;反之如果函數(shù)即刻返回，繼續(xù)執(zhí)行后面的動作就是非阻塞。

在 I/O 模型里，如果請求方從發(fā)起請求到數(shù)據(jù)最后準備好的這一段過程中都需要自己參與，那么這種我們稱為同步請求;反之，如果應(yīng)用發(fā)送完指令后就不再參與過程了，只需要等待最終完成結(jié)果的通知，那么這就屬于異步。

哦，對了。上述選擇 2 你也可以認為是 選擇 4，因為你只要等待銀行廣播叫你就可以呀，做白日夢也可以認為是在干自己的事嘛!

再談多線程

所謂多線程，就是多個線程在一個進程里同時運行，它們之間可以是協(xié)作的關(guān)系，一起完成某個共同的任務(wù)，也可以各干各的事。不管協(xié)作，還是單干，總有一個問題繞不開：“CPU 的資源怎么分配?”多線程之間爭奪資源的過程可以認為是一種“零和博弈”，線程 A 搶奪的資源多，那么線程 B 得到的資源必然就少了嘛!一般來說，用戶只會關(guān)心 CPU 總的利用率，這個值越大越好，而不用關(guān)注具體每個線程得到的計算資源是多是少。