IO復用、多進程和多線程三種並發編程模型

IO復用、多進程和多線程三種並發編程模型

I/O復用模型

I/O復用原理：讓應用程序可以同時對多個I/O端口進行監控以判斷其上的操作是否可以進行，達到時間復用的目的。在書上看到一個例子來解釋I/O的原理，我覺得很形象，如果用監控來自10根不同地方的水管（I/O端口）是否有水流到達（即是否可讀），那么需要10個人（即10個線程或10處代碼）來做這件事。如果利用某種技術（比如攝像頭）把這10根水管的狀態情況統一傳達到某一點，那么就只需要1個人在那個點進行監控就行了，而類似與select或epoll這樣的多路I/O復用機制就好比是攝像頭的功能，它們能夠把多個I/O端口的狀況反饋到同一處，比如某個特定的文件描述符上，這樣應用程序只需利用對應的select()或epoll_wait()系統調用阻塞關注這一處即可。

I/O多路復用的優劣：由於I/O多路復用是在單一進程的上下文中的，因此每個邏輯流程都能訪問該進程的全部地址空間，所以開銷比多進程低得多；缺點是編程復雜度高。

多進程模型

構造並發最簡單的就是使用進程，像fork函數。例如，一個並發服務器，在父進程中接受客戶端連接請求，然后創建一個新的子進程來為每個新客戶端提供服務。

多進程優點：

每個進程互相獨立，不影響主程序的穩定性，子進程崩潰沒關系；

通過增加CPU，就可以容易擴充性能；

可以盡量減少線程加鎖/解鎖的影響，極大提高性能，就算是線程運行的模塊算法效率低也沒關系；

每個子進程都有2GB地址空間和相關資源，總體能夠達到的性能上限非常大

多進程缺點：

邏輯控制復雜，需要和主程序交互； 

需要跨進程邊界，如果有大數據量傳送，就不太好，適合小數據量傳送、密集運算 

多進程調度開銷比較大；

多線程模型

每個線程都有自己的線程上下文，包括一個線程ID、棧、棧指針、程序計數器、通用目的寄存器和條件碼。所有的運行在一個進程里的線程共享該進程的整個虛擬地址空間。由於線程運行在單一進程中，因此共享這個進程虛擬地址空間的整個內容，包括它的代碼、數據、堆、共享庫和打開的文件。

線程執行的模型：線程和進程的執行模型有些相似，每個進程的聲明周期都是一個線程，我們稱之為主線程。線程是對等的，主線程跟其他線程的區別就是它先執行。

 

多線程的優點：

無需跨進程邊界； 

程序邏輯和控制方式簡單； 

所有線程可以直接共享內存和變量等； 

線程方式消耗的總資源比進程方式好； 

多線程缺點：

每個線程與主程序共用地址空間，受限於2GB地址空間； 

線程之間的同步和加鎖控制比較麻煩； 

一個線程的崩潰可能影響到整個程序的穩定性； 

到達一定的線程數程度后，即使再增加CPU也無法提高性能，例如Windows Server 2003，大約是1500個左右的線程數就快到極限了（線程堆棧設定為1M），如果設定線程堆棧為2M，還達不到1500個線程總數； 

線程能夠提高的總性能有限，而且線程多了之后，線程本身的調度也是一個麻煩事兒，需要消耗較多的CPU 

 

Linux的線程實現是在核外進行的，核內提供的是創建進程的接口do_fork()。內核提供了兩個系統調用__clone()和fork()，最終都用不同的參數調用do_fork()核內API。 do_fork() 提供了很多參數，包括CLONE_VM（共享內存空間）、CLONE_FS（共享文件系統信息）、CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號句柄表）和CLONE_PID（共享進程ID，僅對核內進程，即0號進程有效）。當使用fork系統調用產生多進程時，內核調用do_fork()不使用任何共享屬性，進程擁有獨立的運行環境。當使用pthread_create()來創建線程時，則最終設置了所有這些屬性來調用__clone()，而這些參數又全部傳給核內的do_fork()，從而創建的”進程”擁有共享的運行環境，只有棧是獨立的，由 __clone()傳入。
         即： Linux下不管是多線程編程還是多進程編程，最終都是用do_fork實現的多進程編程，只是進程創建時的參數不同，從而導致有不同的共享環境。Linux線程在核內是以輕量級進程的形式存在的，擁有獨立的進程表項，而所有的創建、同步、刪除等操作都在核外pthread庫中進行。pthread 庫使用一個管理線程（__pthread_manager() ，每個進程獨立且唯一）來管理線程的創建和終止，為線程分配線程ID，發送線程相關的信號，而主線程pthread_create()） 的調用者則通過管道將請求信息傳給管理線程。