هدایای ویژه طراحی سایت

چند رشته ای و چند پردازشی: تفاوت چیست؟

حسام یارمحمدی
بدون کامنت
بروزرسانی: ۲۰ اردیبهشت, ۱۴۰۲

اگر این مقاله را دوست دارید، لطفا آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید.

همانطور که شرکت ها داده های بیشتری را جمع آوری می کنند، ممکن است مجبور شوند الگوریتم ها را برای افزایش سرعت و عملکرد سیستم های محاسباتی خود تغییر دهند. اگر در علم داده، برنامه نویسی یا فناوری اطلاعات کار می کنید، ممکن است از یادگیری تفاوت های اساسی بین تکنیک های برنامه نویسی چند رشته ای و چند پردازشی بهره مند شوید.

در این مقاله از ایوسی، ما تعریف می کنیم که چند رشته ای و چند پردازشی چیست، تفاوت های کلیدی آنها را بررسی می کنیم و نکاتی را ارائه می دهیم که به شما کمک می کند تعیین کنید که چه زمانی باید از هر روش استفاده کنید.

مطالب مرتبط: ۱۰ شغل برای رشته های آمار

چند رشته ای چیست؟

چند رشته ای (Multithreading) یک تکنیک برنامه نویسی است که چندین بخش کد را به یک فرآیند اختصاص می دهد. این بخش‌های کد که به آن رشته‌ها نیز گفته می‌شود، به صورت همزمان و موازی با یکدیگر اجرا می‌شوند. این رشته ها فضای حافظه یکسانی را در یک فرآیند والد به اشتراک می گذارند. این باعث صرفه جویی در حافظه سیستم، افزایش سرعت محاسبات و بهبود عملکرد برنامه می شود.

به عنوان مثال، اگر روی رایانه خود کار می کنید، ممکن است در هنگام جستجو در اینترنت چندین برگه مرورگر باز باشد. همچنین ممکن است همزمان از طریق یک برنامه دسکتاپ به موسیقی گوش دهید. مرورگر اینترنت و برنامه موسیقی نشان دهنده دو فرآیند متفاوت هستند، حتی اگر به طور همزمان کار کنند. با این حال، تب های متعددی که هنگام مرور اینترنت باز کرده اید، رشته های مرورگر اینترنت شما را نشان می دهد که فرآیند اصلی است.

چند پردازش چیست؟

چند پردازش به سیستمی اطلاق می شود که بیش از دو واحد پردازش مرکزی (CPU¹) دارد. هر CPU اضافی که به یک سیستم اضافه می شود سرعت، قدرت و حافظه آن را افزایش می دهد. این به کاربران اجازه می دهد تا چندین فرآیند را به طور همزمان اجرا کنند. هر CPU همچنین ممکن است به طور مستقل عمل کند و برخی از CPU ها اگر چیزی برای پردازش نداشته باشند ممکن است بیکار بمانند. این می تواند قابلیت اطمینان یک سیستم را بهبود بخشد زیرا CPUهای استفاده نشده می توانند در صورت بروز مشکلات فنی به عنوان پشتیبان عمل کنند. دو دسته اصلی از سیستم های چند پردازشی وجود دارد:

چند پردازش متقارن: این سیستم چند پردازشی از سخت افزار و نرم افزار کامپیوتری استفاده می کند که دو یا چند پردازنده یکسان را که توسط یک فضای حافظه به هم متصل شده اند، در خود جای داده است. این پردازنده ها به تمامی دستگاه های ورودی و خروجی دسترسی کامل دارند و با رفتاری برابر مواجه می شوند.
چند پردازش نامتقارن: در این سیستم چند پردازشی، CPU های مختلف به دستگاه های ورودی و خروجی مجزا (I/O) دسترسی دارند. برای مثال، یک CPU ممکن است عملیات I/O را انجام دهد، در حالی که CPU دیگری ممکن است بر حفظ سیستم عامل تمرکز کند.

مطالب مرتبط: ۱۴ بهترین زبان برنامه نویسی برای یادگیری

چند رشته ای در مقابل چند پردازشی

در حالی که چند رشته ای (Multithreading) و چند پردازشی (multiprocessing) هر دو می توانند برای افزایش قدرت محاسباتی یک سیستم استفاده شوند، تفاوت های کلیدی بین این رویکردها وجود دارد. در اینجا برخی از راه های اصلی تفاوت این روش ها با یکدیگر آورده شده است:

Multiprocessing از دو یا چند CPU برای افزایش قدرت محاسباتی استفاده می کند، در حالی که multithreading از یک فرآیند واحد با بخش های کد متعدد برای افزایش قدرت محاسباتی استفاده می کند.
Multithreading بر تولید رشته های محاسباتی از یک فرآیند واحد متمرکز است، در حالی که چند پردازشی با افزودن CPU قدرت محاسباتی را افزایش می دهد.
Multiprocessing برای ایجاد یک سیستم قابل اطمینان تر استفاده می شود، در حالی که multithreading برای ایجاد رشته هایی که به موازات یکدیگر اجرا می شوند استفاده می شود.
چند رشته ای به سرعت ایجاد می شود و به منابع کمی نیاز دارد، در حالی که پردازش چندگانه به زمان قابل توجهی و منابع خاص برای ایجاد نیاز دارد.
Multiprocessing بسیاری از فرآیندها را به طور همزمان اجرا می کند، در حالی که multithreading بسیاری از موضوعات را به طور همزمان اجرا می کند.
Multithreading از یک فضای آدرس مشترک برای همه رشته ها استفاده می کند، در حالی که پردازش چندگانه یک فضای آدرس جداگانه برای هر فرآیند ایجاد می کند.

موارد مرتبط: سی شارپ در مقابل پایتون: انتخاب زبان برنامه نویسی مناسب

مزایای چند رشته ای

در اینجا برخی از مزایای کلیدی multithreading آورده شده است:

به حافظه کمتری نیاز دارد.
دسترسی به حافظه آسان‌تر است، زیرا thread‌ها فرآیند والد یکسانی را به اشتراک می‌گذارند.
جابجایی بین رشته ها سریع و کارآمد است.
تولید موضوعات جدید در یک فرآیند موجود سریعتر از ایجاد یک فرآیند کاملاً جدید است.
همه رشته‌ها یک مخزن حافظه پردازشی و فضای آدرس یکسانی دارند.
رزوه ها سبک تر هستند و سربار کمتری دارند.
هزینه ارتباط بین رشته ها نسبتا کم است.
ایجاد رابط های کاربری پاسخگو (UI) آسان است.

معایب multithreading

در اینجا برخی از اشکالات احتمالی مرتبط با multithreading وجود دارد:

یک سیستم چند رشته ای را نمی توان قطع کرد.
درک کد می تواند چالش برانگیزتر باشد.
سربار مرتبط با مدیریت رشته های مختلف ممکن است برای کارهای اساسی بسیار پرهزینه باشد.
اشکال زدایی و عیب یابی ممکن است چالش برانگیزتر شود زیرا کد می تواند پیچیده باشد.

مطالب مرتبط: ۵۰ نوع زبان برنامه نویسی و آنچه انجام می دهند

مزایای چند پردازش

در اینجا برخی از مزایای چند پردازش آورده شده است:

از کد نویسی ساده استفاده می کند که به راحتی قابل درک است.
این به شما کمک می کند بر محدودیت های قفل مترجم جهانی (GIL²) در CPython غلبه کنید.
فرآیندهای کودک را می توان قطع کرد.
کارها را سریعتر تکمیل می کند و حجم زیادی از داده ها را تجزیه و تحلیل می کند.
از چندین CPU برای بهبود قدرت کلی سیستم استفاده می کند.
این موارد اولیه همگام سازی را حذف می کند.
مقرون به صرفه تر از سیستم های تک پردازنده است.

معایب چند پردازش

در اینجا برخی از اشکالات احتمالی مرتبط با چند پردازش وجود دارد:

برای جابجایی داده ها بین فرآیندها به حافظه و سربار بیشتری نسبت به رشته ها نیاز دارد.
فرآیندهای تخم ریزی بیشتر از نخ های تخم ریزی طول می کشد.
یک مدل ارتباط بین فرآیندی (IPC³) باید برای به اشتراک گذاشتن اشیاء بین فرآیندها پیاده سازی شود.
کل حافظه در هر زیر فرآیند کپی می شود، که همچنین می تواند سربار بیشتری ایجاد کند.

نکاتی برای انتخاب بین multithreading و multiprocessing

در اینجا چند نکته وجود دارد که به شما کمک می کند تصمیم بگیرید که آیا از multithreading یا multiprocessing استفاده کنید:

از multithreading برای پاسخگو کردن برنامه های تعامل کاربر (UI) استفاده کنید. این برنامه ها باید منتظر بمانند تا کاربر با آنها تعامل داشته باشد، بنابراین استفاده از نخ ها قدرت محاسباتی کافی را فراهم می کند. به عنوان مثال، اگر یک برنامه نوشتن آنلاین ایجاد می کنید، ممکن است انتخاب کنید که از چند رشته ای استفاده کنید تا یک رشته کلیدهای کاربر را ردیابی کند، رشته دوم متن را برای خواندن کاربر نمایش دهد و رشته سوم متن را تصحیح کند تا اشتباهات املایی و دستوری را شناسایی کند.
از multithreading برای ایجاد برنامه‌های I/O-Bound یا Network-bound استفاده کنید. Threads می تواند تمام قدرت محاسباتی مورد نیاز برای دسترسی به سرورهای وب و دانلود محتوا از اینترنت را در اختیار شما قرار دهد. به عنوان مثال، بسیاری از دانشمندان داده از multithreading برای ایجاد برنامه های اسکراپی وب استفاده می کنند.
از چند پردازش برای ایجاد برنامه های محاسباتی فشرده استفاده کنید. چند پردازش می تواند به شما کمک کند حجم زیادی از داده ها را به سرعت تجزیه و تحلیل کنید.
از چند پردازش برای توسعه برنامه هایی که CPU فشرده هستند استفاده کنید. پردازش چندگانه می‌تواند به شما در سرعت بخشیدن به فرآیندها و ارائه راه‌حل‌های قابل اعتماد برای برنامه‌هایی که شامل چندین کار CPU هستند کمک کند.