多线程技术综述(一)：通用知识介绍
1. 目录
- 引言
- 多线程技术的发展历史
- 真空管和穿孔打卡
- 晶体管和批处理系统
- 集成电路和多道程序设计
- 小结
- 多线程技术引发的一些问题
- 原子性
- 可见性
- 有序性
- 性能问题
- 小结
- 参考资料
2. 引言
多线程是现代应用程序中必不可少技术，本文主要结合网络中现有的文章，并以客户端应用程序开发者的视角，对多线程技术进行系统梳理。
3. 多线程技术的发展历史
3.1 真空管和穿孔打卡
上个世纪最早一代的计算机，需要程序员先用纸笔写出程序，然后再将程序打孔到纸带或卡片上，最后输入到计算机中进行计算。
完整的工作流程为：写程序到纸上->手动打孔到卡片->输入到计算机->运行程序->打印计算结果。可以看出，除了运行程序阶段，其它阶段计算机都处于空闲状态，存在计算资源被浪费的问题。此外，每个程序每次都需要操作员手动输入到计算机中，存在过程较为繁琐的问题。
3.2 晶体管和批处理系统
为了解决真空管计算机存在的问题，人们先将多个程序批量录入到磁带上，然后把磁带输入到计算机中，一个接一个地自动连续处理程序。这种方式减少了操作员工作的繁琐程度，同时也在一定程度上提升了计算机的利用率。
但是，当遇到一些如磁盘等待、I/O操作等耗时操作时，CPU只能等待该I/O操作完成，再继续计算，还是存在计算机资源被浪费的问题。对于这个问题，举一个实际例子。有程序1、程序2先后录入到磁带中，计算机在执行程序1时有一个耗时的I/O操作，此时CPU被阻塞，处于空闲状态，而程序2却只能干等着。
3.3 集成电路和多道程序设计
3.3.1 多进程
为了解决批处理系统存在的问题，人们引入进程的概念。简单来说，就是将内存拆分成多个块，每一块装载一个程序，装载在内存中的这些程序也就是进程。当某一个进程在执行一些耗时的I/O操作或网络请求时，CPU会闲置下来，此时可将CPU的使用权切换给另一个进程，执行其程序指令。只要CPU的切换速度足够快，看起来像是多个进程同时运行一样。
到这里，基本解决了前面批处理系统存在的问题，但还是存在一些不足。一个程序中往往会有很多任务，这些任务并非一直是串行的。例如有QQ发送网络消息后，需要等待10s服务器响应，这期间即使QQ进程拿到CPU的使用权，其UI也会因CPU等待服务器响应而卡住。
3.3.2 多线程
为了解决上述的问题，人们引入了线程的概念。不严谨地说，线程与进程很相似，不过粒度更小。一个进程中可以创建很多线程去执行任务，例如前面QQ可以创建一个UI线程和网络请求线程，CPU会不断切换执行这两个线程的程序指令，看上去两个任务是并发的，QQ也就不会因为发送网络消息而导致UI卡住。事实上，随着多核CPU的发展，计算机中多个CPU可以同时执行不同线程的程序指令，达到了真正的并发效果。
下面这张图[3]很好地总结了进程与线程之间的关系。
3.4 小结
可以看出，从批处理到多进程，再到多线程，都是为了解决计算资源利用率不够高的问题，尽可能不让CPU闲置。
4. 多线程技术引发的一些问题
多线程技术的出现虽然解决计算资源利用率低的问题，但也产生了一些新的问题，下面将逐一介绍。
4.1 原子性
原子是指化学反应不可再分的基本微粒。正如其名，在计算机领域中，一般指一个不可再分的最小基本操作。
以C语言中的i++为例，虽然在日常开发中一般认为这个语句不可再拆分了，事实上编译器将它拆分成了如下3条CPU指令，因此不是原子操作。
1
2
3ldr w8, [sp, #12] // 从内存中读取变量i到寄存器中
add w8, w8, #1 // 数值+1
str w8, [sp, #12] // 写回内存int i = 887这种整型变量的赋值操作，一般仅对应一条CPU指令，不可再继续拆分，因此是原子操作，下面是它的CPU指令。
1
mov w8, #887
下面用一个例子说明多线程的原子性问题。假设i是全局共享变量，初始值为8，我们用同时开两个线程去执行i++，期望最终结果是10，但在一种特殊情况下它的结果是9，下图说明了这种情况。
其中，编号①～⑥代表指令的执行顺序。下面是具体的细节：
- 当执行②完的时候寄存器w8为9，注意这个时候变量i对应的内存还是8。
- 此时CPU突然切换线程2去执行③，从内存读取变量i的值到寄存器w8，此时w8为8。
- 执行④后w8为9。
- CPU切换到线程一，并恢复线程一当时的上下文，执行⑤，将w8=9写入到变量i中。
- CPU切换到线程二，并恢复线程二当时的上下文，执行⑥，将w8=9写入到变量i中。
可以看出，由于多线程切换的原因，导致最终i=9，与我们期待结果不符，造成了程序逻辑的错乱。对于这个问题，最常见的办法是使用锁技术，其缺点是会有一些性能上的损耗，在后面我们会用Swift语言来举例。
4.2 可见性
可见性问题是指一个线程修改了某一个共享变量的值时，其他线程是否能够立即知道这个修改。
查阅了一些资料，基本都在阐述一个观点：在多核CPU环境中，某个线程改了共享变量x的值，会先同步到其所在核心的CPU缓存中，没有及时同步到主存中，导致其他核心的线程不能及时读取共享变量x最新的值。一般在Java语言中，可采用volatile关键字或加锁的方式解决。
4.3 有序性
为了提高执行效率，CPU可能会将不存在依赖关系的指令进行重排，这在单线程中一般不会出现问题，但在多线程若有使用共享变量的情况，可能会导致运行逻辑与期望的不一致。与前面的问题一样，在Java语言中，可用volatile关键字或加锁的方式解决。
4.4 性能问题
- 上下文切换：CPU在切换线程的时候需要保存原线程的上下文，并切换到新线程的上下文，这个过程需要额外的性能开销。
- CPU缓存失效：每个线程执行任务可能不同，所用到的内存变量可能也不相同。因此，在切换线程后，原有缓存中仍存储着上一个线程常访问的数据，导致当前线程缓存命中率下降，需要从内存中取数据的概率变高，整体性能也就下降了。
- 协作开销：如在Java中，为了保证线程安全，就有可能禁止编译器和CPU对其进行重排序等优化，也可能出于同步的目的，反复把线程工作内存的数据同步到主存中，然后再从主内存同步到其他线程的工作内存中等。
4.5 小结
通过对多线程的问题的研究，可知，多线程在访问共享变量时是非常不安全的，代码的执行逻辑可能会预期不一致。在实际的多线程应用开发中，一般会用加锁的方式解决前文中提到的多线程安全问题。
参考资料
[1] 多线程发展史 [2] iOS多线程编程(七) 同步机制与锁 [3] Multithreading and Multiprocessing in 10 Minutes [4] 多线程中的可见性问题 [5] Cache的基本原理 [6] 为什么多线程会带来性能问题？