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多核時代對併發程式設計的探索

隨著擁有多個硬線程CPU(超線程、雙核)的普及,多線程和非同步操作等併發程式設計方法也受到了更多的關注和討論。本文主要是想與園中各位高手一同探討一下如何使用併發來最大化程式的性能。
  多線程和非同步操作的異同



  多線程和非同步操作兩者都可以達到避免調用線程阻塞的目的,從而提高軟體的可回應性。甚至有些時候我們就認為多線程和非同步操作是等同的概念。但是,多線程和非同步操作還是有一些區別的。而這些區別造成了使用多線程和非同步操作的時機的區別。

  非同步操作的本質

  所有的程式最終都會由電腦硬體來執行,所以為了更好的理解非同步操作的本質,我們有必要瞭解一下它的硬體基礎。 熟悉電腦硬體的朋友肯定對DMA這個詞不陌生,硬碟、光驅的技術規格中都有明確DMA的模式指標,其實網卡、聲卡、顯卡也是有DMA功能的。DMA就是直接記憶體訪問的意思,也就是說,擁有DMA功能的硬體在和記憶體進行數據交換的時候可以不消耗CPU資源。只要CPU在發起數據傳輸時發送一個指令,硬體就開始自己和記憶體交換數據,在傳輸完成之後硬體會觸發一個中斷來通知操作完成。這些無須消耗CPU時間的I/O操作正是非同步操作的硬體基礎。所以即使在DOS這樣的單進程(而且無線程概念)系統中也同樣可以發起非同步的DMA操作。



  線程的本質

  線程不是一個電腦硬體的功能,而是操作系統提供的一種邏輯功能,線程本質上是進程中一段併發運行的代碼,所以線程需要操作系統投入CPU資源來運行和調度。

  非同步操作的優缺點

  因為非同步操作無須額外的線程負擔,並且使用回調的方式進行處理,在設計良好的情況下,處理函數可以不必使用共用變數(即使無法完全不用,最起碼可以減少共用變數的數量),減少了死鎖的可能。當然非同步操作也並非完美無暇。編寫非同步操作的複雜程度較高,程式主要使用回調方式進行處理,與普通人的思維方式有些初入,而且難以調試。

  多線程的優缺點

  多線程的優點很明顯,線程中的處理程式依然是順序執行,符合普通人的思維習慣,所以編程簡單。但是多線程的缺點也同樣明顯,線程的使用(濫用)會給系統帶來上下文切換的額外負擔。並且線程間的共用變數可能造成死鎖的出現。

  適用範圍

  在瞭解了線程與非同步操作各自的優缺點之後,我們可以來探討一下線程和非同步的合理用途。我認為:當需要執行I/O操作時,使用非同步操作比使用線程+同步I/O操作更合適。I/O操作不僅包括了直接的檔、網路的讀寫,還包括資料庫操作、Web Service、HttpRequest以及.net Remoting等跨進程的調用。
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