Многопоточность vs. Мультипроцессинг: В чем разница?

По мере накопления компаниями большего объема данных им может потребоваться изменить алгоритмы, чтобы увеличить скорость и производительность своих вычислительных систем. Если вы работаете в области науки о данных, программирования или информационных технологий, вам может быть полезно узнать о фундаментальных различиях между многопоточными и многопроцессорными методами программирования.

В этой статье мы определим, что такое многопоточность и многопроцессорность, рассмотрим их ключевые различия и дадим советы, которые помогут вам определить, когда следует использовать каждый метод.

Что такое многопоточность?

Многопоточность - это техника программирования, которая назначает несколько сегментов кода одному процессу. Эти сегменты кода, также называемые потоками, выполняются параллельно друг другу. Эти потоки 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 за компьютером, у вас может быть открыто несколько вкладок браузера во время поиска информации в интернете. Возможно, вы одновременно слушаете музыку через настольное приложение. Интернет-браузер и музыкальное приложение представляют собой два разных процесса, хотя они работают одновременно. Однако множество вкладок, открытых при просмотре Интернета, представляют собой потоки вашего интернет-браузера, который является родительским процессом.

Что такое многопоточность?

Многопроцессорная обработка относится к системе, имеющей более двух центральных процессоров (ЦП). Каждый дополнительный процессор, добавленный в систему, увеличивает ее скорость, мощность и память. Это позволяет пользователям запускать несколько процессов одновременно. Каждый ЦП может также функционировать независимо, а некоторые ЦП могут простаивать, если им нечего обрабатывать. Это может повысить надежность системы, так как неиспользуемые процессоры могут служить резервным вариантом в случае возникновения технических проблем. Существует две основные категории многопроцессорных систем:

• Симметричная многопроцессорная обработка: Эта многопроцессорная система использует компьютерное оборудование и программное обеспечение, включающее два или более одинаковых процессора, соединенных одним пространством памяти. Эти люди имеют полный доступ ко всем устройствам ввода и вывода информации и получают равное обращение.

• Асимметричная мультипроцессинг: В этой многопроцессорной системе разные центральные процессоры имеют доступ к отдельным устройствам ввода и вывода (IO). Например, один процессор может выполнять операции ввода-вывода, в то время как другой процессор может сосредоточиться на обслуживании операционной системы.

Многопоточность vs. многопроцессорная обработка

Хотя многопоточность и многопроцессорность могут использоваться для увеличения вычислительной мощности системы, между этими подходами есть несколько ключевых различий. Вот некоторые из основных отличий этих методов друг от друга:

• Многопроцессорная обработка использует два или более процессора для увеличения вычислительной мощности, в то время как многопоточность использует один процесс с несколькими сегментами кода для увеличения вычислительной мощности.

• Многопоточность сосредоточена на создании вычислительных потоков из одного процесса, в то время как многопроцессорность увеличивает вычислительную мощность за счет добавления процессоров.

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

• многопоточность быстро создается и требует мало ресурсов, в то время как многопроцессорность требует значительного количества времени и специальных ресурсов для создания.

• Многопроцессорная обработка выполняет множество процессов одновременно, в то время как многопоточная обработка выполняет множество потоков одновременно.

• Многопоточность использует общее адресное пространство для всех потоков, в то время как многопроцессорность создает отдельное адресное пространство для каждого процесса.

Преимущества многопоточности

Вот некоторые из ключевых преимуществ многопоточности:

• Она требует меньшего объема памяти.

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

• Переключение между потоками происходит быстро и эффективно.

• Быстрее генерировать новые потоки в рамках существующего процесса, чем создавать совершенно новый процесс.

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

• Потоки более легковесны и имеют меньшие накладные расходы.

• Стоимость коммуникации между потоками относительно низкая.

• Создавать отзывчивые пользовательские интерфейсы (UI) легко.

Недостатки многопоточности

Вот некоторые потенциальные недостатки, связанные 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 дорогими для базовых задач.

• Отладка и устранение неполадок может стать более сложной задачей, поскольку код может быть сложным.

Преимущества мультипроцессинга

Вот некоторые из преимуществ многопроцессорной обработки:

• Он использует простое кодирование, которое легко понять.

• Это помогает 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.

• Устраняет примитивы синхронизации.

• Это более экономически выгодно, чем однопроцессорные системы.

Недостатки многопроцессорной обработки

Вот некоторые потенциальные недостатки, связанные с многопроцессорной обработкой:

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

• Порождение процессов занимает больше времени, чем порождение потоков.

• Для обмена объектами между процессами должна быть реализована модель межпроцессного взаимодействия (IPC).

• Вся память копируется в каждый подпроцесс, что также может создать больше накладных расходов.

Советы по выбору между многопоточностью и многопроцессорностью

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

• Использование многопоточности для того, чтобы сделать программы взаимодействия с пользователем (UI) отзывчивыми. Эти программы должны ждать, пока пользователь взаимодействует с ними, поэтому использование потоков обеспечивает достаточную вычислительную мощность. Например, вы можете использовать многопоточность при создании онлайновой программы для написания текста, чтобы один поток отслеживал нажатия клавиш пользователем, второй поток отображал текст для чтения пользователем, а третий поток вычитывал текст для выявления орфографических и грамматических ошибок.

• Используйте многопоточность для создания приложений, связанных с IO или сетью. Потоки могут предоставить вам всю вычислительную мощность, необходимую для доступа к веб-серверам и загрузки контента из Интернета. Например, многие специалисты по изучению данных используют многопоточность для создания приложений для веб-скрейпинга.

• Использовать мультипроцессинг для создания программ, требующих больших вычислений. Многопроцессорная обработка может помочь вам быстро анализировать большие объемы данных.

• Используйте многопроцессорную обработку для разработки программ, требующих больших затрат процессора. Многопоточная обработка может помочь вам ускорить процессы и обеспечить надежные решения для программ, в которых задействовано несколько задач ЦП.