併發編程模型小結

做者：不洗碗工做室 - Marklux

出處：Marklux's Pub

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因爲接觸過的語言比較多，各類語言之間對併發任務的處理方式不盡相同，時常會使人迷惑。此次嘗試系統的整理和總結一下常見的併發調度方式和編程模型。

使用的線程數

《併發之痛》中認爲，併發編程最難解決的問題是，究竟要建立多少個線程（這裏指內核線程）才最合適。不一樣的語言對於這個問題的理解和解決方案都不一樣，但大體能夠從用戶線程和內核線程的比值上作一個分類

用戶線程：內核線程 = 1：1

參考下圖：

一個使用編程語言建立的線程完整的映射到一個內核線程上去，Java就是這種實現。這麼作線程的調度將主要依賴於操做系統自己的調度，若是建立的線程比較多，可能會由於上下文的切換問題致使性能低下。

這麼作的好處在於，開發人員至關於直接在控制內核線程。經過合理的編程（如使用線程池），理論上能夠最大限度的利用CPU性能。

缺點則是線程的建立和銷燬成本比較高，同時編程模型也相對複雜一些，很差掌握。

用戶線程：內核線程 = M：N

便是說，用戶線程能夠映射到任意一個內核線程上去。這種方式最爲靈活，但編程語言自己的調度器實現難度會比較複雜一些，並且開發人員在開發時也就沒法再直接去調度內核線程了。Go應該是目前爲止實現M:N映射的語言中性能最好的一個。

Go的映射方案以下圖：M爲系統線程，P爲調度器，G爲routine也就是用戶線程。

當內核線程數量 = CPU核心數的時候，這種映射模型能夠很輕鬆的使程序的CPU利用率達到一個很高的水平。

優點就是用戶線程能夠變的很輕量，建立銷燬和調度的成本都很低，大部分狀況下也沒必要要刻意去維護線程池來提高性能了，編程難度下降了很多。

至於缺點就仁者見仁智者見智了，Go的調度器性能並非最優的，也不能保證全部場景下的高效率，遇到這類場合可能還要在代碼上下一番功夫。

用戶線程：內核線程 = N：1

以下圖

嚴格意義上這種映射不算完整的併發，由於沒法徹底利用多核的性能優點，並且任務也不能實現並行。

在腳本語言中用的比較多，如今最出名的應該就是JS了，並且恰恰使用了單線程的node性能還不差，所以如今也有很多人推崇這套方案。

編程模型上基本所有須要異步來實現，若是對異步編程方法瞭解的不夠透徹寫起來可能會比較頭疼。

線程間通訊的方法

引入多線程後，線程和線程之間的資源競爭和執行順序依賴都成爲使人頭疼的問題，這時就必須讓線程之間能夠互相通訊才能解決，而通訊機制的編程模型不一樣，也會很大程度上影響程序員編寫併發代碼時的思路。

Lock共享資源

最基本的一種解決方式，就是經過多個線程同時讀寫某個變量的方法來實現。這麼作很直觀，不過若是鎖使用不當，頗有可能會形成嚴重的性能損耗，更不要說死鎖這類的狀況了。

因爲很是常見，因此不加以贅述了，主要重點放在下面兩種方式上：

CSP線程通訊

傳統的鎖機制並很差駕馭，這時候CSP(Communicating Sequential Process)出現了，它的原則是「經過通訊來共享內存，而不是用共享內存來通訊」。

所以CSP模型裏把通訊方式抽象成了管道(channel)，全部線程間的通訊都依賴於管道的讀寫來實現。

相比於單純的內存鎖，管道對內存的讀寫者分別提供了各自的等待隊列，而且封裝了調度的邏輯，這樣就簡化了多線程通訊的複雜度，只要合理使用channel，就能夠解決至關一部分的問題。

而go還爲channel添加了緩存空間，使得channel的通訊方式從單一的同步阻塞，變得能夠在必定數量上支持異步。

CSP最大的亮點在於只關心消息的傳輸方式，而把消息的發送者和讀寫者給解耦了，這背後蘊含的邏輯是「讀寫者很是關心本身的數據有沒有被處理」，若是不是這樣的場景，可能使用CSP模型帶來的改觀就不是很大了。

Actor模型

這個模型相對來講比較新穎一些。目前已知的是Scala中有較大規模的應用。

和CSP不一樣，Actor把重點放在消息的處理單元而不是消息的傳輸方式上，發送者和讀寫者都必須事先知道對方是誰，纔可以進行消息的收發。

因爲沒有完整的使用過Actor模型，在這裏引用一下別人總結的對於Actor模型的優點：

• Actor可獨立更新，實現熱升級。由於Actor互相之間沒有直接的耦合，是相對獨立的實體，可能實現熱升級。
• 無縫彌合本地和遠程調用 由於Actor使用基於消息的通信機制，不管是和本地的Actor，仍是遠程Actor交互，都是經過消息，這樣就彌合了本地和遠程的差別。
• 容錯 Actor之間的通訊是異步的，發送方只管發送，不關心超時以及錯誤，這些都由框架層和獨立的錯誤處理機制接管。
• 易擴展，自然分佈式 由於Actor的通訊機制彌合了本地和遠程調用，本地Actor處理不過來的時候，能夠在遠程節點上啓動Actor而後轉發消息過去。

相關參考：併發之痛