不一樣的角度一窺多線程
最近在性能調試時,發現了一個有趣的現象,我把代碼簡化后如下.
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Start...");
DoSomething();
Console.WriteLine("Ending...");
Console.ReadLine();
}
static void DoSomething()
{
var sum="";
for (int i = 2; i < int.MaxValue; i++)
{
sum += "s";
}
Console.WriteLine(sum.Length);
}
}
可以看到,非常簡單的一段代碼,當我用Windows的性能監測工具來監測每個處理器的使用率時,發現了一個有趣的現象.
我電腦是四核的I7處理器,執行以上代碼后,卻只有處理器2一直處理一個比較高的占用率,而其他的三個則處於一個"摸魚混日子"的狀態,處理器1則更過分,你是睡着了嗎?
同一台電腦上的處理器,難道大家不是有福同享,有難同當的嗎? 為什么其他幾個處理器就忍心看着處理器2水深火熱呢?
然后,我就和這個問題死磕上了,惡補了一些操作系統與多線程的知識,現在把一寫知識點串起來,分享給大家.
分級保護域
電腦操作系統提供不同的資源訪問級別。在計算機體系結構中，Rings是由兩個或更多的特權態組成。在一些硬件或者微代碼級別上提供不同特權態模式的CPU架構上，保護環通常都是硬件強制的。Rings是從最高特權級（通常被叫作0級）到最低特權級（通常對應最大的數字）排列的。在大多數操作系統中，Ring 0擁有最高特權，並且可以和最多的硬件直接交互（比如CPU，內存）。在Windows中, User Space,也就是我們自己安裝的那些應用程序處理Ring 3,而系統內核就在Ring 0.
對於這個問題,舉個例子,大家就好理解了.
錢不是萬能的,但沒錢是萬萬不能的,所以錢是一個家庭的重中之重,家里老婆呢為了這個家的長治久安,掌握家里的財政大權,把家里的小金庫守得死死的,但這就意味着我沒錢花了嗎?當然不是,和老婆大人用正當理由申請不就完事了?😂
申請通過之后,老婆大人是允許我直接伸手去家里小金庫拿錢嗎? 那當然不是,如果我一抓一大把就危險了,所以還得經過她的手從小金庫拿錢給我.
這個現象,我覺得也是一種分級保護域,所以呢,也一直對老婆大人的這種萬惡行徑表示理解.
操作系統也是這樣,CPU,內存這些硬件是電腦安全的根本,所以不能給第三方軟件操作權限,想操作硬件,就通過由Ring 0中內核(Kernel)暴露的嚴格Api進行.
用戶級線程與內核級線程
線程主要有以下兩種實現方式-
- 用戶級線程 -用戶托管線程。
- 內核級線程 -作用在內核（操作系統核心）上的操作系統管理的線程。
在上圖中,User Space就可以理解為我上個章節中的Ring 3,而Kernel Space就是Ring 0, 在Ring 0中,是可以直接操作CPU,內存等硬件的,而Ring 3不行.
以下是用戶級線程與內核級線程的對比.
| 用戶級線程 | 內核級線程 |
|---|---|
| 用戶線程由用戶實現。 | 內核線程由OS實現。 |
| 操作系統無法識別用戶級線程。 | 內核線程被操作系統識別。 |
| 用戶線程的實現很容易。 | 內核線程的實現很復雜。 |
| 上下文切換時間更少。 | 上下文切換時間更長。 |
| 上下文切換不需要硬件支持。 | 需要硬件支持。 |
| 如果一個用戶級別的線程執行阻止操作，則整個過程將被阻止。 | 如果一個內核線程執行阻止操作，則另一線程可以繼續執行。 |
| 無法直接發揮多核處理器的優勢 | 可以享受多處理起帶來的好處 |
其中,非常重要的一點,用戶級線程無法直接發揮多核處理器的優勢,難道我們編寫出來的代碼只能在一個處理器上運行了嗎?這就要講講用戶級線程模型.
用戶級線程模型
通常，內核級線程可以使用三個模型之一來執行用戶級線程。
- Many-to-one
- One-to-one
- Many-to-many
所有模型都將用戶級線程映射到內核級線程,一個內核線程就像一個處理器,它是系統編排任務的基本單位。
Many-to-one
多對一模型將許多用戶級線程映射到一個內核級線程。線程管理是通過線程庫在用戶空間中完成的。當線程進行阻塞的系統調用時，整個過程將被阻塞。一次只能有一個線程訪問內核，因此多個線程無法在多處理器上並行運行。
如果用戶級線程庫是以操作系統不支持的方式實現的，則內核線程將使用多對一關系模型。
內核對用戶級線程不可見,在它眼里只有內核線程,而在內核線程的眼里,一個進程無非就是一個偶爾被被它翻牌的黑盒子,進程負責用戶線程的調度與執行.
One-to-one
在這種模型下用戶級線程與內核級線程之間存在一對一的關系。該模型比多對一模型並發性好,當一個線程進行阻塞系統調用時，它還允許另一個線程運行,所以它支持多個線程以在處理器上並行執行。
該模型的缺點是創建用戶線程需要相應的內核線程,而創建內核線程開銷是很大的.
Many-to-many
在多對多模型中，m個內核線程處理n個用戶線程,其中m < n. 該模型並發性最好,並且不用創建過多的內核線程,涉及到的線程切換同步的開銷也更小.
真相浮出水面
.Net的代碼作為托管代碼在“托管線程”上執行，而托管線程是在CLR虛擬機上執行的虛擬線程,也是屬於用戶級線程.
正如JIT編譯器將“虛擬” IL指令映射到在物理計算機上執行的本機指令一樣，CLR的線程基礎結構也將“虛擬”托管線程映射到操作系統提供的內核線程。
說到這里,我們也差不多有了前面我說的那個現象的答案了,並非其他處理器不想與那個水深火熱的處理器有難同享,而是我沒有使用多線程,所以執行的程序只有一個主線程,也就是說用戶線程數為1.只能是one to one 模型,所以只有一個處理器能參與工作.
既然知道了里面的原理,那我們就對前文中的程序進行改造,創建四個線程來執行任務,會不會所有處理器都忙起來呢?
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Start...");
for (var i = 0; i < 4; i++)
{
var td=new Thread(DoSomething);
td.Start();
}
Console.WriteLine("Ending...");
Console.ReadLine();
}
static void DoSomething()
{
var sum="";
for (int i = 2; i < int.MaxValue; i++)
{
sum += "s";
}
Console.WriteLine(sum.Length);
}
}
可以看到,這次大家的步伐都做到了驚人的一致,四個處理器都被調用起來,加上主線程,這里至少有五個用戶線程,所以這里應該是many to many的模型了.
謝謝觀賞!
參考資料:
https://en.wikipedia.org/wiki/Protection_ring
https://stackoverflow.com/questions/15093510/whats-c-sharp-threading-type
https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/Documentation/botr/threading.md#clr-threading-overview