Lập trình đa luồng là một dạng lập trình đồng thời chuyên biệt, bao gồm việc thực thi nhiều luồng trong một quy trình hoặc ứng dụng, cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống và cải thiện hiệu suất. Mô hình lập trình này cho phép nhiều luồng chạy đồng thời trên các cấu trúc dữ liệu được chia sẻ trong khi thực hiện các tác vụ riêng biệt, cuối cùng cho phép các ứng dụng hoặc thuật toán sử dụng tốt hơn bộ xử lý đa lõi, đồng thời đảm bảo khả năng phản hồi và hiệu quả.
Trong lập trình đơn luồng truyền thống, một chương trình thực hiện các lệnh của nó một cách tuần tự, lần lượt từng lệnh một và nó chỉ có thể thực hiện một tác vụ tại một thời điểm. Điều này có thể dẫn đến việc sử dụng không đúng mức tài nguyên hệ thống và giảm hiệu suất. Sự phát triển của bộ xử lý đa lõi và kiến trúc song song đòi hỏi phải áp dụng các kỹ thuật lập trình đồng thời, chẳng hạn như đa luồng, để tối ưu hóa việc sử dụng sức mạnh xử lý sẵn có và quản lý tốt hơn các quy trình và sự kiện đồng thời trong một ứng dụng.
Trong môi trường đa luồng, luồng là các thực thể nhỏ nhất có thể được hệ điều hành lập lịch và thực thi độc lập. Mỗi luồng có bộ đếm chương trình, ngăn xếp và dữ liệu cục bộ riêng nhưng chia sẻ không gian bộ nhớ, dữ liệu chung và tài nguyên hệ thống với các luồng khác trong cùng một tiến trình. Kiến trúc bộ nhớ dùng chung này cho phép giao tiếp hiệu quả giữa các luồng và cho phép chúng hợp tác làm việc hướng tới một mục tiêu chung.
Việc triển khai một ứng dụng đa luồng bao gồm nhiều thách thức khác nhau, bao gồm việc xử lý thích hợp các cấu trúc dữ liệu dùng chung, đồng bộ hóa luồng và tranh chấp tài nguyên. Mô hình bộ nhớ dùng chung có thể dẫn đến sự không nhất quán về dữ liệu và tình trạng tương tranh, xảy ra khi hai hoặc nhiều luồng truy cập đồng thời vào cùng một dữ liệu, dẫn đến hành vi chương trình không mong muốn. Để xử lý vấn đề này, các lập trình viên sử dụng nhiều cơ chế đồng bộ hóa khác nhau, chẳng hạn như khóa, ngữ nghĩa và rào cản, để đảm bảo quyền truy cập độc quyền vào các tài nguyên được chia sẻ và đảm bảo rằng dữ liệu được truy cập một cách nhất quán và đáng tin cậy.
Lập trình đa luồng có thể mang lại một số lợi ích, bao gồm tăng khả năng phản hồi, cải thiện việc sử dụng tài nguyên và tăng tốc độ tính toán. Trong ứng dụng đa luồng, các tác vụ nền có thể được thực thi đồng thời mà không ảnh hưởng đến khả năng phản hồi hoặc hành vi giao diện người dùng của ứng dụng. Hơn nữa, một ứng dụng đa luồng có thể phân phối hiệu quả khối lượng công việc của nó trên nhiều lõi, cho phép ứng dụng thực thi nhanh hơn và hoàn thành các tác vụ trong khoảng thời gian ngắn hơn.
Tuy nhiên, lập trình đa luồng cũng có những hạn chế, chẳng hạn như độ phức tạp tăng lên, khả năng xảy ra các lỗi liên quan đến đồng thời và các vấn đề về khả năng mở rộng. Các lập trình viên bắt buộc phải hiểu rõ về đồng bộ hóa luồng, bảo vệ dữ liệu dùng chung và ngăn chặn bế tắc vì việc gỡ lỗi các ứng dụng đa luồng có thể gặp khó khăn do tính chất không xác định của chúng. Hơn nữa, lập trình đa luồng có thể gặp phải các vấn đề về khả năng mở rộng trên các hệ thống có số lượng lõi cao, vì chi phí liên lạc và đồng bộ hóa có thể hạn chế mức tăng hiệu suất đạt được.
Các ngôn ngữ lập trình, thư viện và khung công tác khác nhau cung cấp hỗ trợ cho lập trình đa luồng, chẳng hạn như khả năng phân luồng tích hợp của Java, thư viện luồng của C++, mô-đun luồng của Python và thư viện luồng POSIX (pthreads). Ngoài hỗ trợ dành riêng cho ngôn ngữ, các nhà phát triển cũng có thể tận dụng tính song song ở cấp độ phần cứng, chẳng hạn như Khối xây dựng luồng (TBB) của Intel hoặc nền tảng xử lý song song CUDA của NVIDIA.
Tại AppMaster, nền tảng no-code để tạo các ứng dụng phụ trợ, web và di động, lập trình đa luồng được sử dụng để tối đa hóa việc sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống và cải thiện hiệu suất ứng dụng. Nền tảng này tạo ra các ứng dụng tận dụng khả năng đa luồng của Go (golang) cho các ứng dụng phụ trợ, khung Vue3 và JS/TS cho các ứng dụng web, cũng như Kotlin và Jetpack Compose cho Android và SwiftUI cho iOS trong các ứng dụng di động. Các ứng dụng được tạo có thể quản lý hiệu quả các quy trình đồng thời và thực hiện các tác vụ song song, mang lại trải nghiệm ứng dụng có hiệu suất cao, phản hồi nhanh và có khả năng mở rộng.
Tóm lại, lập trình đa luồng là một mô hình thiết yếu trong phát triển phần mềm hiện đại cho phép sử dụng hiệu quả các bộ xử lý đa lõi và kiến trúc song song. Bằng cách áp dụng các nguyên tắc đa luồng, các nhà phát triển có thể tăng cường khả năng phản hồi của ứng dụng, cải thiện việc sử dụng tài nguyên và tăng tốc độ tính toán, dẫn đến các giải pháp phần mềm hiệu suất cao và hiệu quả hơn. Khi phần cứng tiếp tục phát triển, tầm quan trọng của việc nắm vững các kỹ thuật lập trình đa luồng ngày càng trở nên quan trọng đối với các chuyên gia làm việc trong ngành phát triển phần mềm.
