что такое параллельное программирование многопоточность и его назначение какие классы используются
Параллелизм против многопоточности против асинхронного программирования: разъяснение
В последние время, я выступал на мероприятиях и отвечал на вопрос аудитории между моими выступлениями о Асинхронном программировании, я обнаружил что некоторые люди путали многопоточное и асинхронное программирование, а некоторые говорили, что это одно и тоже. Итак, я решил разъяснить эти термины и добавить еще одно понятие Параллелизм. Здесь есть две концепции и обе они совершенно разные, первая синхронное и асинхронное программирование и вторая – однопоточные и многопоточные приложения. Каждая программная модель (синхронная или асинхронная) может работать в однопоточной и многопоточной среде. Давайте обсудим их подробно.
Синхронная программная модель – это программная модель, когда потоку назначается одна задача и начинается выполнение. Когда завершено выполнение задачи тогда появляется возможность заняться другой задачей. В этой модели невозможно останавливать выполнение задачи чтобы в промежутке выполнить другую задачу. Давайте обсудим как эта модель работает в одно и многопоточном сценарии.
Однопоточность – если мы имеем несколько задач, которые надлежит выполнить, и текущая система предоставляет один поток, который может работать со всеми задачами, то он берет поочередно одну за другой и процесс выглядит так:
Здесь мы видим, что мы имеем поток (Поток 1) и 4 задачи, которые необходимо выполнить. Поток начинает выполнять поочередно одну за одной и выполняет их все. (Порядок, в котором задачи выполняются не влияет на общее выполнение, у нас может быть другой алгоритм, который может определять приоритеты задач.
Многопоточность – в этом сценарии, мы использовали много потоков, которые могут брать задачи и приступать к работе с ними. У нас есть пулы потоков (новые потоки также создаются, основываясь на потребности и доступности ресурсов) и множество задач. Итак, поток может работать вот так:
Здесь мы можем видеть, что у нас есть 4 потока и столько же задач для выполнения, и каждый поток начинает работать с ними. Это идеальный сценарий, но в обычных условиях мы используем большее количество задач чем количество доступных потоков, таким образом освободившийся поток получает другое задание. Как уже говорилось создание нового потока не происходит каждый раз потому что для этого требуются системные ресурсы такие как процессор, память и начальное количество потоков должно быть определенным.
Теперь давайте поговорим о Асинхронной модели и как она ведет себя в одно и многопоточной среде.
Асинхронная модель программирования – в отличии от синхронной программной модели, здесь поток однажды начав выполнение задачи может приостановить выполнение сохранив текущее состояние и между тем начать выполнение другой задачи.
Здесь мы можем видеть, что один поток отвечает за выполнение всех задач и задачи чередуются друг за другом.
Если наша система способно иметь много потоков тогда все потоки могут работать в асинхронной модели как показано ниже:
Здесь мы можем видеть, что одна и та же задача скажем Т4, Т5, Т6 … обрабатывается несколькими потоками. Это красота этого сценария. Как мы можем видеть, что задача Т4 начала выполнение первой Потоком 1 и завершен Потоком 2. Подобным образом задча Т6 выполнена Потоком 2, Потоком 3 и Потоком 4. Это демонстрирует максимальное использование потоков.
Итак, до сих пор мы обсудили 4 сценария:
Проще говоря параллелизм способ обработки множественных запросом одновременно. Так как мы обсуждали два сценария когда обрабатывались множественные запросы, многопоточное программирование и асинхронная модель (одно и многопоточная). В случае асинхронной модели будь она однопоточной или многопоточной, в то время, когда выполняются множество задач, некоторые из них приостанавливаются, а некоторые выполняются. Существует много особенностей, но это выходит за рамки этой публикации.
Как обсуждалось ранее новая эпоха за асинхронным программированием. Почему это так важно?
Преимущества асинхронного программирования
Существует две вещи очень важные для каждого приложения – удобство использования и производительность. Удобство использования потому что пользователь нажав кнопку чтобы сохранить некоторые данные что в свою очередь требует выполнения множества задач таких как чтение и заполнение данных во внутреннем объекте, установление соединения с SQL и сохранения его там. В свою очередь SQL запускается на другой машине в сети и работает под другим процессом, это может потребовать много время. Таким образом если запрос обрабатывается одним процессом экран будет находится в зависшем состоянии до тех пор, пока процесс не завершится. Вот почему сегодня многие приложения и фреймворки полностью полагаются на асинхронную модель.
Производительность приложения и системы также очень важны. Было замечено в то время как выполняется запрос, около 70-80% из них попадают в ожидании зависимых задач. Таким образом, это может быть максимально использовано в асинхронном программирование, где, как только задача передается другому потоку (например, SQL), текущий поток сохраняет состояние и доступен для выполнения другого процесса, а когда задача sql завершается, любой поток, который является свободным, может заняться этой задачей.
Асинхронность в ASP.NET
Асинхронность в ASP.NET может стать большим стимулом для повышения производительности вашего приложения. Вот, как IIS обрабатывает запрос:
Когда запрос получен IIS, он берет поток из пула потоков CLR (IIS не имеет какого-либо пула потоков, а сам вместо этого использует пул потоков CLR) и назначает его ему, который далее обрабатывает запрос. Поскольку количество потоков ограничено, и новые могут быть созданы с определенным пределом, тогда если поток будет находится большую часть времени в состоянии ожидания, то это сильно ударит по вашему серверу, вы можете предположить, что это реальность. Но если вы пишете асинхронный код (который теперь становится очень простым и может быть написан почти аналогично синхронному при использовании новых ключевых слов async / await), то он будет работать намного быстрее, и пропускная способность вашего сервера значительно возрастет, потому что вместо ожидания какого-нибудь завершения, он будет доступен пулу потоков, для нового запроса. Если приложение имеет множество зависимостей и длительный процесс выполнения, то для этого приложения асинхронное программирование будет не меньшем благом.
Итак, теперь мы поняли разницу многопоточного, асинхронного программирования и преимущества, которые мы можем получить, используя асинхронную модель программирования.
Параллельное программирование
Благодаря этим двум особенностям библиотеки TPL она рекомендуется в большинстве случаев к применению для организации многопоточной обработки.
Как станет ясно из дальнейшего, запросить параллельную обработку запроса очень просто. Следовательно, с помощью PLINQ можно без особого труда внедрить параллелизм в запрос.
Главной причиной появления таких важных новшеств, как TPL и PLINQ, служит возросшее значение параллелизма в современном программировании. В настоящее время многоядерные процессоры уже стали обычным явлением. Кроме того, постоянно растет потребность в повышении производительности программ. Все это, в свою очередь, вызвало растущую потребность в механизме, который позволял бы с выгодой использовать несколько процессов для повышения производительности программного обеспечения.
Но дело в том, что в прошлом это было не так-то просто сделать ясным и допускающим масштабирование способом. Изменить это положение, собственно, и призваны TPL и PLINQ. Ведь они дают возможность легче (и безопаснее) использовать системные ресурсы.
Библиотека TPL определена в пространстве имен System.Threading.Tasks. Но для работы с ней обычно требуется также включать в программу класс System.Threading, поскольку он поддерживает синхронизацию и другие средства многопоточной обработки, в том числе и те, что входят в класс Interlocked.
Несмотря на то что применение TPL и PLINQ рекомендуется теперь для разработки большинства многопоточных приложений, организация многопоточной обработки на основе класса Thread, по-прежнему находит широкое распространение.
Применяя TPL, параллелизм в программу можно ввести двумя основными способами. Первый из них называется параллелизмом данных. При таком подходе одна операция над совокупностью данных разбивается на два параллельно выполняемых потока или больше, в каждом из которых обрабатывается часть данных. Так, если изменяется каждый элемент массива, то, применяя параллелизм данных, можно организовать параллельную обработку разных областей массива в двух или больше потоках. Нетрудно догадаться, что такие параллельно выполняющиеся действия могут привести к значительному ускорению обработки данных по сравнению с последовательным подходом.
Несмотря на то что параллелизм данных был всегда возможен и с помощью класса Thread, построение масштабируемых решений средствами этого класса требовало немало усилий и времени. Это положение изменилось с появлением библиотеки TPL, с помощью которой масштабируемый параллелизм данных без особого труда вводится в программу.
Второй способ ввода параллелизма называется параллелизмом задач. При таком подходе две операции или больше выполняются параллельно. Следовательно, параллелизм задач представляет собой разновидность параллелизма, который достигался в прошлом средствами класса Thread. А к преимуществам, которые сулит применение TPL, относится простота применения и возможность автоматически масштабировать исполнение кода на несколько процессоров.
Параллельное программирование и библиотека TPL
Задачи и класс Task
Для определения и запуска задачи можно использовать различные способы. Первый способ создание объекта Task и вызов у него метода Start:
В качестве параметра объект Task принимает делегат Action, то есть мы можем передать любое действие, которое соответствует данному делегату, например, лямбда-выражение, как в данном случае, или ссылку на какой-либо метод. То есть в данном случае при выполнении задачи на консоль будет выводиться строка «Hello Task!».
А метод Start() собственно запускает задачу.
В качестве результата метод возвращает запущенную задачу.
Третий способ определения и запуска задач представляет использование статического метода Task.Run() :
Определим небольшую программу, где используем все эти способы:
Ожидание задачи
Важно понимать, что задачи не выполняются последовательно. Первая запущенная задача может завершить свое выполнение после последней задачи.
Или рассмотрим еще один пример:
Однако в данном случае консольный вывод может выглядеть следующим образом:
То есть мы видим, что даже когда основной код в методе Main уже отработал, запущенная ранее задача еще не завершилась.
Чтобы указать, что метод Main должен подождать до конца выполнения задачи, нам надо использовать метод Wait :
Свойства класса Task
Класс Task имеет ряд свойств, с помощью которых мы можем получить информацию об объекте. Некоторые из них:
AsyncState : возвращает объект состояния задачи
CurrentId : возвращает идентификатор текущей задачи
Exception : возвращает объект исключения, возникшего при выполнении задачи
Русские Блоги
Параллельное программирование и многопоточность
Справочник статей
Параллельное программирование и серийный
Цель параллельного программирования:
Подходит для параллельных сценариев программирования
Процессор выделяет временные интервалы для потоков. Временные интервалы очень короткие (уровень в миллисекундах). Процессор продолжает переключать потоки для выполнения. Состояние предыдущей задачи будет сохранено перед переключением, поэтому при следующем переключении на эту задачу вы сможете загрузить задачу. Государство, давайте почувствуем, что несколько программ работают одновременно.
Уменьшите накладные расходы на переключение контекста:
При возникновении взаимоблокировки введите jps на консоли, чтобы просмотреть идентификатор текущего процесса и найти идентификатор процесса взаимоблокировки, как показано на рисунке. 
Введите jstack pid для получения подробной информации.
Или введите в терминале jconsole, чтобы запустить консоль мониторинга и управления java, и выберите соответствующее подключение к процессу.
Нажмите, чтобы обнаружить тупик для деталей 
Проблема параллельной безопасности программных потоков
Запуск нескольких потоков в одной программе сам по себе не вызывает проблем, проблема в том, что несколько потоков обращаются к одним и тем же ресурсам. Например, та же область памяти (переменная, массив или объект), система (база данных, веб-службы и т. Д.) Или файл. Фактически, эти проблемы могут возникать только в том случае, если один или несколько потоков записали в эти ресурсы. Пока ресурсы не изменились, несколько потоков могут считывать одни и те же ресурсы.
Проблема одновременного ограничения ресурсов программирования
Основы нити
Разница между потоками и процессами
Статус темы и взаимное преобразование
Создание темы
В реальной разработке выберите второй тип: java позволяет только одиночное наследование для повышения надежности программы, код может быть общим, а код и данные независимы
Поток приостановить и возобновить операции
Операция приостановки потока по существу состоит в том, чтобы заставить поток войти в состояние «неисполнимый», в этом состоянии ЦП не будет выделен временному срезу потока, вход в это состояние может использоваться для приостановки операции потока.
После того, как поток приостановлен, его можно возобновить повторным пробуждением.
Временной интервал, выделяемый процессором, очень короткий и очень ценный. Избегайте тратить ресурсы.
1. Заброшенный методthread.suspend()Этот метод не освобождает ресурсы, занятые потоком. Если этот метод используется для приостановки потока, он может вызвать блокировку других потоков, ожидающих ресурсов.thread.resume()С самим методом нет проблем, но он не может существовать независимо от метода suspend ().
2. Доступные методы
wait () приостанавливает выполнение, отменяет полученную блокировку, переходит в состояние ожидания и освобождает ресурсы
notify () случайным образом пробуждает поток, ожидающий блокировки (случайное включение)
notifyAll () активирует все потоки, ожидающие блокировки, и самостоятельно выгружает ресурсы процессора
wait notify notifyAll методы должны быть вызваны в блоке синхронизации
Корабль, которого я ждал, не пришел (ждал неготовых ресурсов), люди, которых я ждал, еще не поняли. Пока метод уведомления не вызван
Операция прерывания потока (прерывание)
Приоритет потока
Приоритет потока может быть установлен на любое значение от 1 до 10. Три приоритета потока определены в классе Thread, а именно: MIN_PRIORITY (1), NORM_PRIORITY (5), MAX_PRIORITY (10), обычно рекомендуется Несколько констант, не устанавливайте значения самостоятельно.
Демоническая нить
Использование потока демона: поток очистки мусора jvm
Предложение: Используйте поток демона как можно меньше, потому что он неуправляем. Не читайте и не записывайте операции и не выполняйте логику вычислений в потоке демона.
Поточно-
Что нить небезопасно?
При одновременном доступе к нескольким потокам правильные результаты не могут быть получены.
В примере причина небезопасной проблемы потока:
num ++ не является атомарной операцией и разбивается на несколько этапов.В случае многопоточного параллельного выполнения из-за планирования ЦП и многопоточного экспресс-переключения возможно, что два из них одновременно читают одно и то же значение num, а затем Выполнение операции +1 приводит к безопасности потока.
Атомная операция
Что такое атомная операция
Выполняется одна или несколько операций, и процесс выполнения не будет прерван какими-либо факторами или они не будут выполнены.
Как преобразовать неатомарные операции в атомарные операции
Изменчивое ключевое слово гарантирует только видимость, а не атомарность
синхронизирует слово отключения, делая операцию атомарной
Глубокое понимание ключевого слова синхронизации
Встроенная блокировка является блокировкой мьютекса, что означает, что блокировка может получить только один поток. Когда поток A пытается получить встроенную блокировку, удерживаемую потоком B, поток A должен ждать или блокировать, пока поток B не снимет блокировку. Если поток B не снимает блокировку, поток A будет ждать вечно.
Ключевое слово volatile и сценарии его использования
Может и может только изменять переменные
гарантирует видимость этой переменной, не гарантирует атомарность
Изменение порядка шестнадцатеричных инструкций
Потоки A и B одновременно читают объекты, модифицированные ключевым словом volatile.
После прочтения A значение переменной изменяется. Измененное значение отображается для B.
Сценарий использования:
Синглтоны и безопасность потоков
Голодный Синглтон Нит Безопасность
ленивый одиночный поток не является безопасным
Как избежать проблем безопасности потоков
Причины проблем безопасности потоков
1: многопоточная среда
2: несколько потоков работают на одном общем ресурсе
3: на общем ресурсе была выполнена неатомарная операция
замок
Блокировка классификации
Блокировка интерфейса
Анализ AbstractQueuedSynchronizer
Реализация несправедливой блокировки исходного кода ReentrantLock
Многопоточная отладка в порядке выполнения главного потока
Функция блокировки чтения-записи ReentrantReadWriteLock
Особенности: взаимное исключение записи-записи, взаимное исключение чтения-записи, совместное использование чтения-записи
Понижение блокировки: после того как поток записи получит блокировку записи, он может получить блокировку чтения и затем снять блокировку записи. Это преобразует блокировку записи в блокировку чтения, тем самым достигая понижения блокировки характеристика.
Понижение блокировки
Блокировка понижения: после того, как поток записи получает блокировку записи, он может получить блокировку чтения и затем снять блокировку записи, так что блокировка записи становится блокировкой чтения, тем самым реализуя характеристики понижения блокировки. (Вы можете писать только перед чтением, в ReentrantReadWriteLock нет повышения блокировки).
Сценарий приложения: пользователь чувствителен к данным и должен получить измененное значение после изменения данных, а затем выполнить другие операции
Интеллектуальная рекомендация
AlamoFire Source Severtation Series (12) ось времени (временная шкала)
Эта статья приносит некоторые идеи о временной шкале в AlamoFire Преступность Перевод Timeline означает, что временная шкала может представлять событие с начала до конца узла времени. Концепция времен.
Анализ разницы между iOS initWithFrame, initWithCoder, awakeFromNib
Исследование соответствия типовых версий рамы
Параллелизм, многопоточность, асинхронность: разница и примеры применения (.NET, C#)
Авторизуйтесь
Параллелизм, многопоточность, асинхронность: разница и примеры применения (.NET, C#)
Руководитель группы разработки digital-интегратора DD Planet
Многие начинающие специалисты путают многопоточное, асинхронное и параллельное программирование. На первый взгляд, может показаться, что это одно и то же — но нет. Давайте разберёмся, сколько программных моделей используют C#-разработчики и в чём их отличия. Материал подготовлен совместно с Алексеем Гришиным, ведущим разработчиком DD Planet.
Существует несколько концепций: синхронное/асинхронное программирование и однопоточные/многопоточные приложения. Причём первая программная модель может работать в однопоточной или многопоточной среде. То есть приложение может быть: синхронным однопоточным, синхронным многопоточным и асинхронным многопоточным.
Отдельной концепцией считается параллелизм, который является подмножеством многопоточного типа приложений. Рассмотрим особенности каждой программной модели подробнее.
Синхронная модель
Потоку назначается одна задача, и начинается её выполнение. Заняться следующей задачей можно только тогда, когда завершится выполнение первой. Эта модель не предполагает приостановку одной задачи, чтобы выполнить другую.
Однопоточность
Система в одном потоке работает со всеми задачами, выполняя их поочерёдно.
Однопоточная синхронная система
Многопоточность
В этом случае речь о нескольких потоках, в которых выполнение задач идет одновременно и независимо друг от друга.
Многопоточная синхронная система
Пример такого концепта — одновременная разработка веб- и мобильного приложений и серверной части, при условии соблюдения архитектурных «контрактов».
Использование нескольких потоков выполнения — один из способов обеспечить возможность реагирования приложения на действия пользователя при одновременном использовании процессора для выполнения задач между появлением или даже во время появления событий пользователя.
Асинхронность
Характеристики асинхронного кода:
Если у системы много потоков, то их асинхронная работа выглядит примерно так:
Многопоточная асинхронная система
Конструкция async/await
Для работы с асинхронными вызовами в C# необходимы два ключевых слова:
Они используются вместе для создания асинхронного метода. У асинхронных методов могут быть следующие типы возвращаемых значений:
Пример асинхронного метода:
Результат асинхронного вычисления факториала
Этот пример приведён лишь для наглядности, особого смысла делать логику вычисления факториала асинхронной нет. Опять же, для имитации долгой работы мы использовали задержку на 8 секунд с помощью методы Thread.Sleep(). Цель была показать: асинхронная задача, которая может выполняться долгое время, не блокирует основной поток — в этом случае метод Main(), и мы можем вводить и обрабатывать данные, продолжая работу с ним.
Параллелизм
Эта программная модель подразумевает, что задача разбивается на несколько независимых подзадач, которые можно выполнить параллельно, а затем объединить результаты. Примером такой задачи может быть Parallel LINQ:
Еще один пример — вычисление среднего значения двумерного массива, когда каждый отдельный поток может подсчитать сумму своей строки, а потом объединить результат и вычислить среднее.
Однако не стоит забывать, что не все задачи поддаются распараллеливанию. Например, описанная выше задача по вычислению факториала, в которой на каждом последующем этапе нужен результат предыдущего.
Какую программную модель выбрать?
Перечисленные программные модели должны применяться в зависимости от задач. Их можно использовать как отдельно во всём приложении, так и сочетать между собой. Главное, чтобы приложение было максимально эффективным и удовлетворяло требования пользователя.
Если речь идет о сложных многопользовательских приложениях, то стремиться стоит к использованию асинхронной модели, так как важна интерактивность и отзывчивость интерфейса. Взаимодействие с пользователем в активном режиме всегда должно быть максимально эффективным, даже если в фоновом режиме в то же время выполняются другие задачи. Издержки асинхронности, например, на переключение исполняемого контекста, в таком случае нивелируются за счет общей эффективности приложения.
В разработке простых приложений, к примеру, парсера документа, необходимости в асинхронности, или даже многопоточности, может и не быть.