同线程模型（Same-threading）

Jakob Jenkov 2021-11-02

同线程模型（same-threading）是一种并发模型，它将单线程系统横向扩展为 N 个并行运行的单线程系统。

一个“同线程”系统并不是纯粹的单线程系统，因为它包含多个线程。但——每个线程都像一个独立的单线程系统那样运行。因此我们使用“同线程”（same-threaded）而非“单线程”（single-threaded）这一术语。

为什么使用单线程系统？

你可能会疑惑，如今为何还有人设计单线程系统？
单线程系统之所以流行，是因为其并发模型比多线程系统简单得多。单线程系统不与其他线程共享任何状态（对象/数据），这使得单个线程可以安全地使用非并发数据结构，并更好地利用 CPU 及其缓存。

然而，单线程系统无法充分利用现代 CPU 的全部性能。现代 CPU 通常拥有 2、4、6、8 甚至更多核心，每个核心都相当于一个独立的 CPU。而单线程系统只能使用其中一个核心，如下图所示：

单线程系统仅使用一个 CPU 核心

为了充分利用 CPU 的所有核心，我们可以将单线程系统横向扩展，使其运行在整个计算机上。

同线程系统通常在计算机的每个 CPU 核心上运行一个线程。例如，如果一台计算机有 4 个 CPU 核心，那么通常会运行 4 个同线程系统的实例（即 4 个独立的单线程系统）。原理如下图所示：

每个核心运行一个线程

同线程系统从表面上看类似于传统的多线程系统，因为内部也运行了多个线程。但两者之间存在一个微妙却关键的区别：

同线程系统中的线程不共享状态。

也就是说，线程之间没有并发访问的共享内存，也没有用于在线程间传递数据的并发数据结构。这一区别如下图所示：

同线程系统无线程间共享状态

正是由于缺乏共享状态，每个线程的行为就像一个真正的单线程系统。但由于整个系统包含多个线程，因此严格来说它不是“单线程系统”。为了更准确地描述这种架构，我将其称为“同线程系统”，而不是“采用单线程设计的多线程系统”。“同线程”这个说法更简洁、更易理解。

简而言之，“同线程”意味着：

这种模型有时也被称为“无共享状态并发”（no shared state concurrency）或“分离状态并发”（separate state concurrency）。

显然，同线程系统需要将工作负载合理分配给各个单线程实例。如果只有一个线程在工作，那么整个系统实际上仍是单线程的。

具体的负载分配方式取决于你的系统设计。以下是一些常见模式：

如果你的系统由多个微服务组成，每个微服务都可以以单线程模式运行。当你将多个单线程微服务部署在同一台机器上时，每个微服务可以在一个 CPU 核心上运行一个线程。

微服务本质上不共享数据，因此非常适合采用同线程架构。

如果你的系统确实需要共享数据（例如数据库），你可以考虑对数据库进行分片（sharding）。分片是指将数据划分到多个数据库中，通常按某种逻辑（如用户 ID、租户 ID 等）将相关数据集中存储在同一数据库中。例如，某个“所有者”实体的所有数据都存入同一个分片数据库。

注：分片技术超出了本教程的范围，请自行查阅相关资料。

如果同线程系统中的线程需要通信，它们通过消息传递（message passing）实现。

例如，线程 A 想向线程 B 发送消息，它可以生成一条消息（字节序列）。线程 B 接收后会复制该消息，然后读取副本。通过复制，线程 B 确保线程 A 在其读取过程中无法修改原始消息。一旦复制完成，该副本对线程 A 不可见。

线程间的消息通信如下图所示：

通过消息传递进行线程通信

通信通道可以是队列、管道、Unix 套接字、TCP 套接字等，具体取决于系统需求。

在同线程系统中，每个线程内部都可以按照单线程的方式进行设计和实现。这意味着其内部并发模型远比共享状态的多线程系统简单——你无需担心并发数据结构及其可能引发的各种并发问题（如竞态条件、死锁等）。

以下是单线程、多线程和同线程系统的示意图，帮助你直观理解三者的区别：