多线程实际上是并行处理还是只是一种错觉？答案

【问题标题】：Is multithreading actually parallel processing or just an illusion of one?多线程实际上是并行处理还是只是一种错觉？
【发布时间】：2018-04-11 06:33:09
【问题描述】：

假设有 10 个不相交且独立的任务。如果单线程执行需要 10 分钟，每个任务需要 1 分钟，那么 10 个线程，每个任务一个线程会在 1 分钟内完成执行吗？

因为一次只能运行一条指令并且假设 CPU 只运行这个进程。多线程不只是线程之间非常快速的上下文切换，给人一种并行处理的错觉，但实际上并不是在处理吗？

那么，既然CPU要执行的指令数是一样的，那么不管是单线程还是多线程，完成的时间不应该是一样的吗？如果是，那不是说多线程是一种并行处理的手段是错误的吗？

【问题讨论】：

您似乎假设您正在执行程序的计算机只有一个 CPU 内核。对于当今活跃使用的大多数计算机而言，这不太可能是真的。对于多核 CPU 或多 CPU 系统，多线程可以实现实际的并行处理。
“因为一次只能运行一条指令”你在哪里找到的？
使用多线程并不意味着你会看到速度提升。
Ummm ... 使用多线程并不一定意味着您会看到速度提升。

【解决方案1】：

Java 多线程通常提供真正的并行性......而不仅仅是并行性的幻觉。

假设有 10 个不相交且独立的任务。如果单线程执行需要 10 分钟，每个任务需要 1 分钟，那么 10 个线程，每个任务一个线程在 1 分钟内完成执行吗？

可能是，可能不是。这取决于几件事：

因为一次只能运行一条指令...

实际上，这在技术上是不正确的。即使是单核，由于流水线，一个 CPU 也可以同时执行多条指令。

但我们可以说，传统机器上的给定内核或超线程通常一次只执行一个指令流。

...假设 CPU 只运行这个进程。

我假设您指的不是 GPU¹，也不是只有一个内核且没有超线程的 CPU。

即使对于如今的低端笔记本电脑/台式机来说，这些假设也不是一个有效的假设。

多线程不只是线程之间非常快速的上下文切换，给人一种并行处理的错觉，但实际上并不是在处理吗？

实际上，如果您在一个内核上运行多个线程，那么线程之间的上下文切换需要很长时间（数百条硬件指令）。而且它们很少发生。

但是如果你假设只有一个核心/超线程，那么线程不能并行执行是正确的。

那么，既然CPU要执行的指令数是一样的，那么不管是单线程还是多线程，完成的时间不应该是一样的吗？如果是，不是说多线程是一种并行处理的手段是错误的吗？

如果您假设只有一个内核/超线程可用，那么您的结论是正确的。但是，这种假设在现代计算机上通常不正确。

例如，我使用 3 年的戴尔笔记本电脑的 CPU 具有 2 个内核和每个内核 2 个超线程，这可以提供 4 倍的理论加速（由于硬件并行性！！）。（这还没有考虑使用 GPU 的可能性……）

请注意，典型的服务器级机器每个刀片有 2 或 4 个 CPU，甚至可能更多。一些服务器级 CPU 达到 16 核或更多。所以单台电脑有 64 核的情况并不少见。

^{1 - 普通 Java 不会使用 GPU 进行一般计算，所以这有点牵强。}

【讨论】：

Are there (at least) 10 physical cores available to run the 10 threads? 具有超线程的 5 个物理内核（每个内核 2 个线程）怎么样？假设这 10 个线程真的不相交，假设5 physical cores * 2 threads per core = 10，所有 10 个线程会并行运行吗？
一般来说，操作系统会尝试将超线程视为物理内核。所以是的。超线程并行运行……在硬件层面；见en.wikipedia.org/wiki/Hyper-threading

【解决方案2】：

是的，Java 本质上是多线程的。一个 Java 程序可以有许多不同的线程独立且连续地执行。同一页面上的三个 Java 小程序可以一起运行，每个程序从 CPU 获得相同的时间，而程序员只需很少的额外工作。

这使得 Java 对用户输入非常敏感。它还有助于提高 Java 的健壮性，并提供一种机制，使 Java 环境可以确保恶意小程序不会窃取主机的所有 CPU 周期。

不幸的是，多线程与 Java 紧密集成，这使得 Java 很难移植到 Windows 3.1 或 PowerMac 等本身不支持抢占式多线程的架构。

与多线程相关的成本。多线程之于 Java 就像指针运算之于 C 一样，也就是说，它是极难发现错误的来源。尽管如此，在简单的程序中，可以不使用多线程并且通常没问题

【讨论】：

【解决方案3】：

您的解释假设一个单 CPU 系统。即使在这种情况下，假设所有线程都属于同一个进程也是错误的。

考虑两个进程同时运行。第一个进程有一个长时间的阻塞操作（即 I/O、磁盘访问）。当 CPU 等待此操作完成时，如果没有多线程，它将不得不等待空闲。但是多线程在复杂的调度算法的支持下启用上下文切换，从而最大限度地利用 CPU。

我上面提到的示例可以应用于具有多线程的单个进程。一个执行阻塞操作，另一个不执行。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果您的系统具有多个 CPU 或每个 CPU 多个内核，则 JVM 可以利用这些资源并并行运行线程。您可以获得真实的并行处理速度优势。

可用的 CPU 内核数是多线程代码并行处理速度优势的上限。由于开销和其他效率低下，您无法达到（例如，使用 4 核系统的整整 4 倍）的速度，但您可以使用经过精心设计以利用并行处理的代码接近。

【讨论】：