关于多线程编程

为什么编程需要使用到多线程，几个常见的原因如下。

1．耗时的操作使用线程，提高应用程序响应

2．并行操作时使用线程，如C/S架构的服务器端并发线程响应用户的请求。

3．多CPU系统中，使用线程提高CPU利用率

4．改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。

          使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常花销小，切换快，更"节俭"的多任务操作方式。在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。
　　使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。
　　除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：
　　1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。
　　2) 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。
　　3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。 

       当前流行的Windows操作系统，它能同时运行几个程序(独立运行的程序又称之为进程)，对于同一个程序，它又可以分成若干个独立的执行流，我们称之为线程，线程提供了多任务处理的能力。用进程和线程的观点来研究软件是当今普遍采用的方法，进程和线程的概念的出现，对提高软件的并行性有着重要的意义。现在的应用软件无一不是多线程多任务处理，单线城的软件是不可想象的。因此掌握多线程多任务设计方法对每个程序员都是必需要掌握的。本文针对多线程技术在应用中经常遇到的问题，如线程间的通信、同步等，对它们分别进行探讨。

　　 一、 理解线程

　　 要讲解线程，不得不说一下进程，进程是应用程序的执行实例，每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它系统资源组成。进程在运行时创建的资源随着进程的终止而死亡。线程的基本思想很简单，它是一个独立的执行流，是进程内部的一个独立的执行单元，相当于一个子程序，它对应Visual C++中的CwinThread类的对象。单独一个执行程序运行时，缺省的运行包含的一个主线程，主线程以函数地址的形式，如main或WinMain函数，提供程序的启动点，当主线程终止时，进程也随之终止，但根据需要，应用程序又可以分解成许多独立执行的线程，每个线程并行的运行在同一进程中。

　　 一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，使用该进程的全局变量和系统资源。操作系统给每个线程分配不同的CPU时间片，在某一个时刻，CPU只执行一个时间片内的线程，多个时间片中的相应线程在CPU内轮流执行，由于每个时间片时间很短，所以对用户来说，仿佛各个线程在计算机中是并行处理的。操作系统是根据线程的优先级来安排CPU的时间，优先级高的线程优先运行，优先级低的线程则继续等待。

　　 线程被分为两种：用户界面线程和工作线程（又称为后台线程）。用户界面线程通常用来处理用户的输入并响应各种事件和消息，其实，应用程序的主执行线程CWinAPP对象就是一个用户界面线程，当应用程序启动时自动创建和启动，同样它的终止也意味着该程序的结束，进城终止。工作者线程用来执行程序的后台处理任务，比如计算、调度、对串口的读写操作等，它和用户界面线程的区别是它不用从CwinThread类派生来创建，对它来说最重要的是如何实现工作线程任务的运行控制函数。工作线程和用户界面线程启动时要调用同一个函数的不同版本；最后需要读者明白的是，一个进程中的所有线程共享它们父进程的变量，但同时每个线程可以拥有自己的变量。

       随着拥有多个硬线程CPU（超线程、双核）的普及，多线程和异步操作等并发程序设计方法也受到了更多的关注和讨论。本文主要是想与各位高手一同探讨一下如何使用并发来最大化程序的性能。

　　多线程和异步操作的异同

　　多线程和异步操作两者都可以达到避免调用线程阻塞的目的，从而提高软件的可响应性。甚至有些时候我们就认为多线程和异步操作是等同的概念。但是，多线程和异步操作还是有一些区别的。而这些区别造成了使用多线程和异步操作的时机的区别。

　　异步操作的本质

　　所有的程序最终都会由计算机硬件来执行，所以为了更好的理解异步操作的本质，我们有必要了解一下它的硬件基础。 熟悉电脑硬件的朋友肯定对DMA这个词不陌生，硬盘、光驱的技术规格中都有明确DMA的模式指标，其实网卡、声卡、显卡也是有DMA功能的。DMA就是直接内存访问的意思，也就是说，拥有DMA功能的硬件在和内存进行数据交换的时候可以不消耗CPU资源。只要CPU在发起数据传输时发送一个指令，硬件就开始自己和内存交换数据，在传输完成之后硬件会触发一个中断来通知操作完成。这些无须消耗CPU时间的I/O操作正是异步操作的硬件基础。所以即使在DOS这样的单进程（而且无线程概念）系统中也同样可以发起异步的DMA操作。

　　线程的本质

　　线程不是一个计算机硬件的功能，而是操作系统提供的一种逻辑功能，线程本质上是进程中一段并发运行的代码，所以线程需要操作系统投入CPU资源来运行和调度。

　　异步操作的优缺点

　　因为异步操作无须额外的线程负担，并且使用回调的方式进行处理，在设计良好的情况下，处理函数可以不必使用共享变量（即使无法完全不用，最起码可以减少共享变量的数量），减少了死锁的可能。当然异步操作也并非完美无暇。编写异步操作的复杂程度较高，程序主要使用回调方式进行处理，与普通人的思维方式有些初入，而且难以调试。

　　多线程的优缺点

　　多线程的优点很明显，线程中的处理程序依然是顺序执行，符合普通人的思维习惯，所以编程简单。但是多线程的缺点也同样明显，线程的使用（滥用）会给系统带来上下文切换的额外负担。并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。

　　适用范围

　　在了解了线程与异步操作各自的优缺点之后，我们可以来探讨一下线程和异步的合理用途。我认为：当需要执行I/O操作时，使用异步操作比使用线程+同步I/O操作更合适。I/O操作不仅包括了直接的文件、网络的读写，还包括数据库操作、Web Service、HttpRequest以及.net Remoting等跨进程的调用。

　　而线程的适用范围则是那种需要长时间CPU运算的场合，例如耗时较长的图形处理和算法执行。但是往往由于使用线程编程的简单和符合习惯，所以很多朋友往往会使用线程来执行耗时较长的I/O操作。这样在只有少数几个并发操作的时候还无伤大雅，如果需要处理大量的并发操作时就不合适了。

我们来看看苹果官方帮助文档的线程对象的描述：

An NSThread object controls a thread of execution. Use this class when you want to have an Objective-C method run in its own thread of execution. Threads are especially useful when you need to perform a lengthy task, but don’t want it to block the execution of the rest of the application. In particular, you can use threads to avoid blocking the main thread of the application, which handles user interface and event-related actions. Threads can also be used to divide a large job into several smaller jobs, which can lead to performance increases on multi-core computers.

Prior to Mac OS X v10.5, the only way to start a new thread is to use the detachNewThreadSelector:toTarget:withObject: method. In Mac OS X v10.5 and later, you can create instances of NSThread and start them at a later time using the start method.

In Mac OS Xv10.5, the NSThread class supports semantics similar to those of NSOperation for monitoring the runtime condition of a thread. You can use these semantics to cancel the execution of a thread or determine if the thread is still executing or has finished its task. Canceling a thread requires support from your thread code; see the description for cancel for more information.

我英语不是特别好，随便说说，就懒得有道词典了 ：一个NSThread对象控制了线程的执行。当你想要一个Objective-C方法在它自己的线程中执行的话你就要用到这个类。同样当你需要执行一个费时的任务，线程就尤为有用了。尤其是在应用程序主线程你可以用线程来避免块编程。它能处理用户界面和事件相关。线程同样可以用于把大任务分割成小任务，也能在多核计算机中提高性能。

在10.5的系统，唯一的方式启动一个新的线程就用detachNewThreadSelector:toTarget:withObject: 这个方法。在10.5以后你可以创建一个线程实例，在一段时间之后在通过start方法启动它。