听起来似乎不错,但CPU本身呢？如果一个应用程序进入无限循环,会发生什么呢?如果机器中只有一个CPU,它会执行无限循环,不能执行其它任何东西。所以,虽然数据无法被破坏,而且更安全,但系统仍然可能停止响应。微软要修复这个问题,他们拿出的方案就是线程。作为Windows概念,线程的职责是对CPU进行虚拟化。Windows为每个进程都提供了该进程专用的专用的线程(功能相当于一个CPU,可将线程理解成一个逻辑CPU)。如果应用程序的代码进入无限循环,与那个代码关联的进程会被“冻结”,但其他进程(他们有自己的线程)不会冻结:他们会继续执行！
2.2 线程开销线程是一个非常强悍的概念,因为他们使windows即使在执行长时间运行的任务时也能随时响应。另外,线程允许用户使用一个应用程序(比如“任务管理器”)强制终止似乎冻结的一个应用程序(它也有可能正在执行一个长时间运行的任务)。但是,和一切虚拟化机制一样,线程会产生空间(内存耗用)和时间(运行时的执行性能)上的开销。
创建线程,让它进驻系统以及最后销毁它都需要空间和时间。另外,还需要讨论一下上下文切换。单CPU的计算机一次只能做一件事情。所以,windows必须在系统中的所有线程(逻辑CPU)之间共享物理CPU。
在任何给定的时刻,Windows只将一个线程分配给一个CPU。那个线程允许运行一个时间片。一旦时间片到期,Windows就上下文切换到另一个给线程。每次上下文切换都要求Windows执行以下操作：
将CPU寄存器中的值保存到当前正在运行的线程的内核对象内部的一个上下文结构中。
从现有线程集合中选一个线程供调度(切换到的目标线程)。如果该线程由另一个进程拥有,Window在开始执行任何代码或者接触任何数据之前,还必须切换CPU“看得见”的虚拟地址空间。
将所选上下文结构中的值加载到CPU的寄存器中。
上下文切换完成后,CPU执行所选的线程,直到它的时间片到期。然后,会发生新一轮的上下文切换。Windows大约每30ms执行一次上下文切换。
上下文切换是净开销:也就是说上下文切换所产生的开销不会换来任何内存或性能上的收益。
根据上述讨论,我们的结论是必须尽可能地避免使用线程,因为他们要耗用大量的内存,而且需要相当多的时间来创建，销毁和管理。Windows在线程之间进行上下文切换,以及在发生垃圾回收的时候,也会浪费不少时间。然而,根据上述讨论,我们还得出一个结论,那就是有时候必须使用线程,因为它们使Windows变得更健壮,反应更灵敏。
应该指出的是,安装了多个CPU或者一个多核CPU)的计算机可以真正同时运行几个线程,这提升了应用程序的可伸缩性(在少量的时间里做更多工作的能力)。Windows为每个CPU内核都分配一个线程,每个内核都自己执行到其他线程的上下文切换。Windows确保单个线程不会在多个内核上同时被调度,因为这会代理巨大的混乱。今天,许多计算机都包含了多个CPu,超线程CPU或者多核CPU。但是,windows最初设计时,单CPU计算机才是主流,所以Windows设计了线程来增强系统的响应能力和可靠性。今天,线程还被用于增强应用程序的可伸缩性,但在只有多CPU(或多核CPU)计算机上才有可能发生。
TIP:一个时间片结束时,如果Windows决定再次调度同一个线程(而不是切换到另外给一个线程),那么Windows不会执行上下文切换。线程将继续执行,这显著改进了性能。设计自己的代码时注意,上下文切换能避免的就要尽量避免。
2.3 CPU的发展过去,CPU速度一直随着时间在变快。所以,在一台旧机器上运行得慢的程序在新机器上一般会快些。然而,CPU 厂商没有延续CPU越来越快的趋势。由于CPU厂商不能做到一直提升CPU的速度,所以它们侧重于将晶体管做得越来越小,使一个芯片上能够容纳更多的晶体管。今天,一个硅芯片可以容纳2个或者更多的CPU内核。这样一来,如果在写软件时能利用多个内核,软件就能运行得更快些。
今天的计算机使用了以下三种多CPU技术。
多个CPU
超线程芯片
多核芯片
2.4 使用线程的理由使用线程有以下三方面的理由。
使用线程可以将代码同其他代码隔离
这将提高应用程序的可靠性。事实上,这正是Windows在操作系统中引入线程概念的原因。Windows之所以需要线程来获得可靠性,是因为你的应用程序对于操作系统来说是的第三方组件,而微软不会在你发布应用程序之前对这些代码进行验证。如果你的应用程序支持加载由其它厂商生成的组件，那么应用程序对健壮性的要求就会很高,使用线程将有助于满足这个需求。
可以使用线程来简化编码