C# - 多线程之进程与线程

2022-11-28 09:24:24

并行~并发

并发

Concurrency，逻辑上的同时发生，一个处理器（在不同时刻或者说在同一时间间隔内）"同时"处理多个任务。宏观上是并发的，微观上是按排队等待、唤醒、执行的步骤序列执行。并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享（多路复用）以提高效率。

并行

Parallelism，物理上的同时发生，多核处理器或多个处理器（在同一时刻）同时处理多个任务。并行性允许多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行。

Concurrency is not Parallelism.

并行一定是并发的、并发不一定是并行的。并行性是并发性的特例、并发性是并行性的扩展。

并发：一个人（cpu）喂2个孩子（程序），轮换着每人喂一口，表面上两个孩子都在吃饭；
并行：2个人喂2个孩子，两个孩子也同时在吃饭；

并行分解：以一种安全和可伸缩性的方式使程序并行化。

数据并行；
任务并行；
混合方案：管道/流水线（合并数据和任务并行）；

可伸缩性：目的就是做更多的事情，是衡量应用程序加速比大小的尺度之一。

其中，加速比是应用程序串行化与并行化之间所花费时间之比，表示并行化后的效率提升结果。

Amdahl定律：最小化串行工作
Gustafson定律：并行化增长的工作量、更大的问题域

关于Scalability Principle（可伸缩性原则）具体参考：可伸缩性原则；可伸缩性的最差实践；

参考：并行思维[I-III]；

进程~多进程

命名空间：using System.Diagnostics;

进程

Process，是程序在计算机上的一次执行活动。运行一个程序、启动一个进程。程序是死的（静态的），进程是活的（动态的）。Windows系统利用进程把工作划分为多个独立的区域，每个应用程序实例对应一个进程。进程是操作系统分配和使用系统资源的基本单位。进程包含一个运行-ing应用程序的所有资源、进程（占用的资源）间相互独立。进程资源包括：

一个进程堆；
一个或多个线程；
一个虚拟地址空间，该空间独立于其他进程的地址空间；
一个或多个代码段，包括.dll中的代码；
一个或多个包含全局变量的数据段；
环境字符串，包含环境变量信息；
其他资源，比如打开的句柄、其他的堆等；

多进程

多任务：在同一计算机系统中，同一个时刻允许两个或两个以上的进程处于运行状态。现代操作系统是典型的基于抢占式调度机制的多任务操作系统。

特点

进程间互相独立，可靠性高；
进程之间不共享数据，没有锁问题、结构简单；
需要跨进程边界，多进程调度开销较大；

时间片轮转进程调度算法：在操作系统的管理下，所有正在运行的进程轮流使用CPU，每个进程允许占用CPU的时间非常短，CPU轮流为多个进程服务（实际上任意时刻有且仅有一个进程占有CPU）；

线程~多线程

线程快而进程可靠性高

进程优点：编程、调试简单，可靠性较高；
进程缺点：创建、销毁、切换速度慢，内存、资源占用大；
线程优点：创建、销毁、切换速度快，内存、资源占用小；
线程缺点：编程、调试复杂，可靠性较差；

命名空间：using System.Threading;

线程

Thread，轻量级进程，是进程的一个实体（线程本质上是进程中一段并发运行的代码），执行线程、体现程序的真实执行情况，是处理器上系统独立调度和时间分配的最基本的执行单元。同一进程的所有线程共享相同的资源和内存（共享代码，全局变量，环境字符串等），使得线程间上下文切换更快、可以在同一地址空间内访问内存。线程资源包括：

堆栈：创建线程时生成，用于过程调用、中断、异常处理器和自动存储，对每个线程唯一；
线程本地存储(TLS)：指针数组，允许线程分配存储以创建自身特有的数据环境；
上下文结构：由系统内核通过机器注册表值来维护；

一个进程可以有多个线程、一个线程必须有一个父进程，一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

多线程

多任务可以由多进程完成，也可以由一个进程内的多线程完成。

操作系统将CPU时间片分配给多个线程，每个线程在指定的时间片内处理任务。当前执行的线程在其时间片结束时被挂起、另一个线程继续运行。当系统从一个线程切换到另一个线程时，它会保存被抢先的线程的线程上下文、并重新加载线程队列中下一个线程的已保存的线程上下文；
CPU时间片很小，其长度取决于操作系统和处理器；

其中，若多个线程分属于不同的进程，宏观上多个进程同时执行、实现多任务处理。

优点

共享进程资源，无需跨进程边界；
通过网络与Web服务器和数据库通信；
提高响应速度，新建线程去执行占用大量时间的（后台）操作；
区分并分别执行具有不同优先级的任务；

缺点

内存限制：系统将为进程、AppDomain对象、线程上下文信息分配内存；
性能损失：线程的创建、销毁以及线程信息的跟踪占用处理器时间；
线程同步：对资源的共享访问会造成冲突（死锁、争用条件）；

辅助线程与主线程并行执行代码，多个线程并行工作完成多项任务、提高系统效率。具体地：

执行耗时的任务或时间要求紧迫的任务，而不必占用主线程；
桌面交互应用程序中执行“后台”任务，而使主线程继续保持对用户操作的响应；

多线程处理可以解决吞吐量、响应性等问题，但会导致资源共享问题、为单个资源分配多个线程也可能会导致同步问题。

参考：线程与线程处理 - msdn； .NET多线程总结和实例介绍；

多线程 - 异步

相同：避免调用线程阻塞；

区别：（预备知识：拥有DMA直接内存访问功能的硬件在和内存进行数据交换时可以不消耗CPU资源）

异步：DMA，硬件基础，I/O操作可以不消耗CPU资源；
线程：OS，逻辑功能，运行和调度需要CPU资源；

参考：C#中异步和多线程的区别；

其他

Java不能使用多进程，PHP不能使用多线程；

线程池

Thread Pool，C#/.Net线程池，即CLR线程池，用于在后台执行多个任务的线程的集合，通常用于服务器应用程序。CLR为每一个进程维护一个CLR线程池，池内的线程即CLR线程，一个CLR线程与一个Windows操作系统线程对应，默认属于后台线程（Background Thread）。分为两种：

工作者线程(WorkerThread)：管理CLR内部对象的运作、计算密集型任务；
IO线程(CompletionPortThread)：访问外部资源并与其交互信息（为异步IO服务，异步功能的实现依赖IO线程）；

CLR线程池在CLR初始化时不会立即建立线程、而是在应用程序要创建线程来处理任务时，线程池才会初始化一个线程。线程完成任务后，不会自行销毁、而是以挂起的状态返回到线程池，直到应用程序再次向线程池发出请求时，线程池里挂起的线程会被激活执行任务。

线程重用：避免频繁创建、销毁线程的开销；
具有最大线程数限制；

具体参见：C# - 多线程之 Process与Thread与ThreadPool；　

线程同步

当一个线程操作内存时，其他线程都不能对这个内存地址进行操作、等待直到该线程完成操作。

目的：多个线程同时访问（读/写）共享数据时，防止数据被损坏

存在问题：同步锁的获得和释放

实现比较繁琐、易出错；
多线程异步执行，但有性能损失；
每次只能允许一个线程访问资源；

实现方式和机制

临界区（Critical Section）：通过对多线程的串行化、允许一个进程内的多线程访问公共资源或代码段，速度快、适合控制数据访问；任意时刻只允许一个线程访问共享资源、其他试图访问该公共资源的线程将被挂起，直到访问临界区的线程离开、临界区被释放后，其他线程才可以抢占。
互斥量（Mutex）：采用互斥对象机制，只有获得互斥对象的线程才有权限访问公共资源；因为互斥对象只有一个、可以保证公共资源不会同时被多个线程访问，实现同一应用程序公共资源的安全共享（进程内的线程同步）以及不同应用程序公共资源的安全共享（跨进程的线程同步）。
信号量（Semaphore）：允许多个线程同时访问同一资源，但要限制同一时刻访问同一资源的最大线程数；
事件（Event）：采用线程间触发事件通知操作的方式保持线程同步，允许对多个线程的优先级比较；