Разница между многопоточностью и многопроцессорностью

По мере того как компании накапливают больше данных, им, возможно, придется вносить изменения в алгоритмы, которые они используют для повышения скорости и производительности своих вычислительных систем. Если вы работаете в области науки о данных, программирования или информационных технологий, вам может быть полезно узнать о фундаментальных различиях между многопоточностью и многопроцессорностью.

В этой статье мы определяем, что такое многопоточность и многопроцессорность, исследуем ключевые различия между этими двумя подходами и даем советы, которые помогут вам определить, когда следует использовать каждый метод.

Что такое многопоточность?

Многопоточность — это метод программирования, который назначает несколько сегментов кода одному процессу. Эти сегменты кода, также называемые потоками, выполняются одновременно и параллельно друг другу. Эти потоки совместно используют одно и то же пространство памяти в родительском процессе. Это экономит системную память, увеличивает скорость вычислений и повышает производительность приложений.

Например, если вы работаете на своем компьютере, у вас может быть открыто несколько вкладок браузера при поиске в Интернете. Вы также можете одновременно слушать музыку через настольное приложение. Интернет-браузер и музыкальное приложение представляют собой два разных процесса, хотя и работают одновременно. Однако несколько вкладок, которые вы открываете во время работы в Интернете, представляют потоки вашего интернет-браузера, который является родительским процессом.

Что такое многопроцессорность?

Многопроцессорность относится к системе, которая имеет более двух центральных процессоров (ЦП). Каждый дополнительный ЦП, добавленный в систему, увеличивает ее скорость, мощность и объем памяти. Это позволяет пользователям запускать несколько процессов одновременно. Каждый ЦП также может функционировать независимо, а некоторые ЦП могут простаивать, если им нечего обрабатывать. Это может повысить надежность системы, поскольку неиспользуемые процессоры могут использоваться в качестве резерва в случае возникновения технических проблем. Существует две основные категории многопроцессорных систем:

• Симметричная многопроцессорность: эта многопроцессорная система использует компьютерное оборудование и программное обеспечение, включающее два или более идентичных процессора, соединенных одним пространством памяти. Эти процессоры имеют полный доступ ко всем устройствам ввода и вывода и пользуются равным обращением.

• Асимметричная многопроцессорность: в этой многопроцессорной системе разные ЦП имеют доступ к отдельным устройствам ввода и вывода (I/O). Например, один ЦП может выполнять операции ввода-вывода, а другой ЦП может заниматься обслуживанием операционной системы.

Многопоточность против многопроцессорности

Хотя многопоточность и многопроцессорность могут использоваться для увеличения вычислительной мощности системы, между этими подходами есть некоторые ключевые различия. Вот некоторые основные отличия этих методов друг от друга:

• Многопроцессорная обработка использует два или более ЦП для увеличения вычислительной мощности, тогда как многопоточность использует один процесс с несколькими сегментами кода для увеличения вычислительной мощности.

• Многопроцессорность увеличивает вычислительную мощность за счет добавления ЦП, тогда как многопоточность фокусируется на создании вычислительных потоков из одного процесса.

• Многопроцессорность используется для создания более надежной системы, тогда как многопоточность используется для создания потоков, работающих параллельно друг другу.

• Многопроцессорная обработка требует значительного количества времени и определенных ресурсов для создания, в то время как многопоточность создается быстро и требует немного ресурсов.

• Многопроцессорность выполняет много процессов одновременно, тогда как многопоточность выполняет много потоков одновременно.

• Многопроцессорная обработка создает отдельное адресное пространство для каждого процесса, тогда как многопоточность использует общее адресное пространство для всех потоков.

Преимущества многопоточности

Вот некоторые из ключевых преимуществ многопоточности:

• Требует меньше памяти.

• Доступ к памяти упрощается, поскольку потоки совместно используют один и тот же родительский процесс.

• Переключение между потоками происходит быстро и эффективно.

• Создавать новые потоки в существующем процессе быстрее, чем создавать совершенно новый процесс.

• Все потоки совместно используют один пул памяти процесса и одно и то же адресное пространство.

• Потоки более легкие и имеют меньшие накладные расходы.

• Стоимость связи между потоками относительно низка.

• Создавать адаптивные пользовательские интерфейсы (UI) легко.

Недостатки многопоточности

Вот некоторые из потенциальных недостатков, связанных с многопоточностью:

• Многопоточная система не может быть прервана.

• Код может быть более сложным для понимания.

• Накладные расходы, связанные с управлением различными потоками, могут быть слишком дорогостоящими для основных задач.

• Отладка и устранение неполадок могут стать более сложными, поскольку код может быть сложным.

Преимущества многопроцессорности

Вот некоторые из преимуществ многопроцессорной обработки:

• Он использует простое кодирование, которое легко понять.

• Это поможет вам преодолеть ограничения глобальной блокировки интерпретатора (GIL) в CPython.

• Дочерние процессы могут быть прерваны.

• Он быстрее выполняет задачи и анализирует большие объемы данных.

• Он использует несколько процессоров для повышения общей мощности системы.

• Он удаляет примитивы синхронизации.

• Это более рентабельно, чем однопроцессорные системы.

Недостатки многопроцессорности

Вот некоторые из потенциальных недостатков, связанных с многопроцессорностью:

• Для перемещения данных между процессами требуется больше памяти и накладных расходов, чем для потоков.

• Процессы порождения занимают больше времени, чем порождающие потоки.

• Модель межпроцессного взаимодействия (IPC) должна быть реализована для совместного использования объектов между процессами.

• Вся память копируется в каждый подпроцесс, что также может создавать дополнительные накладные расходы.

Советы по выбору между многопоточностью и многопроцессорностью

Вот несколько советов, которые помогут вам решить, использовать ли многопоточность или многопроцессорность:

• Используйте многопоточность, чтобы сделать программы взаимодействия с пользователем (UI) отзывчивыми. Этим программам приходится ждать, пока пользователь начнет с ними взаимодействовать, поэтому использование потоков обеспечивает достаточную вычислительную мощность. Например, вы можете использовать многопоточность, если создаете онлайн-программу письма, чтобы один поток отслеживал нажатия клавиш пользователем, второй поток отображал текст для чтения пользователем, а третий поток корректировал текст для выявления орфографических и грамматических ошибок.

• Используйте многопоточность для создания приложений с привязкой к вводу-выводу или сети. Потоки могут предоставить вам всю вычислительную мощность, необходимую для доступа к веб-серверам и загрузки контента из Интернета. Например, многие специалисты по данным используют многопоточность для создания приложений для веб-скрейпинга.

• Используйте многопроцессорность для создания программ с интенсивными вычислениями. Многопроцессорная обработка может помочь вам быстро анализировать большие объемы данных.

• Используйте многопроцессорность для разработки программ, интенсивно использующих ЦП. Многопроцессорность может помочь вам ускорить процессы и предоставить надежные решения для программ, которые включают несколько задач ЦП.

Обратите внимание, что компания Indeed не связана ни с одной из компаний, упомянутых в этой статье.