python並發編程之多線程理論部分

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閱讀目錄

• 一 什麼是線程　　
• 二 線程的建立開銷小
• 三 線程與進程的區別
• 四 為何要用多線程
• 五 多線程的應用舉例
• 六 經典的執行緒模式（瞭解）
• 七 POSIX線程（瞭解）
• 八 在使用者空間實現的線程（瞭解）
• 九 在核心空間實現的線程（瞭解）
• 十 使用者級與核心級線程的對比（瞭解）
• 十一 混合實現（瞭解）

一 什麼是線程　　

　　在傳統作業系統中，每個進程有一個地址空間，而且預設就有一個控制線程

　　線程顧名思義，就是一條流水線工作的過程，一條流水線必須屬於一個車間，一個車間的工作過程是一個進程

      車間負責把資源整合到一起，是一個資源單位，而一個車間內至少有一個流水線

      流水線的工作需要電源，電源就相當於cpu

　　所以，進程只是用來把資源集中到一起（進程只是一個資源單位，或者說資源集合），而線程才是cpu上的執行單位。

 

　　多線程（即多個控制線程）的概念是，在一個進程中存在多個控制線程，多個控制線程共用該進程的地址空間，相當於一個車間內有多條流水線，都共用一個車間的資源。

      例如，北京地鐵與上海地鐵是不同的進程，而北京地鐵裡的13號線是一個線程，北京地鐵所有的線路共用北京地鐵所有的資源，比如所有的乘客可以被所有線路拉。

二 線程的建立開銷小

建立進程的開銷要遠大於線程？

如果我們的軟體是一個工廠，該工廠有多條流水線，流水線工作需要電源，電源只有一個即cpu（單核cpu）

一個車間就是一個進程，一個車間至少一條流水線（一個進程至少一個線程）

建立一個進程，就是建立一個車間（申請空間，在該空間內建至少一條流水線）

而建線程，就只是在一個車間內造一條流水線，無需申請空間，所以建立開銷小

 

進程之間是競爭關係，線程之間是協作關係？

車間直接是競爭/搶電源的關係，競爭（不同的進程直接是競爭關係，是不同的程式員寫的程式啟動並執行，迅雷搶佔其他進程的網速，360把其他進程當做病毒乾死）
一個車間的不同流水線式協同工作的關係（同一個進程的線程之間是合作關係，是同一個程式寫的程式內開啟動，迅雷內的線程是合作關係，不會自己幹自己）

三 線程與進程的區別

1. Threads share the address space of the process that created it; processes have their own address space.
2. Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data segment of the parent process.
3. Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
4. New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
5. Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
6. Changes to the main thread (cancellation, priority change, etc.) may affect the behavior of the other threads of the process; changes to the parent process does not affect child processes.

四 為何要用多線程

　　多線程指的是，在一個進程中開啟多個線程，簡單的講：如果多個任務共用一塊地址空間，那麼必須在一個進程內開啟多個線程。詳細的講分為4點：

　　1. 多線程共用一個進程的地址空間

      2. 線程比進程更輕量級，線程比進程更容易建立可撤銷，在許多作業系統中，建立一個線程比建立一個進程要快10-100倍，在有大量線程需要動態和快速修改時，這一特性很有用

      3. 若多個線程都是cpu密集型的，那麼並不能獲得效能上的增強，但是如果存在大量的計算和大量的I/O處理，擁有多個線程允許這些活動彼此重疊運行，從而會加快程式執行的速度。

      4. 在多cpu系統中，為了最大限度的利用多核，可以開啟多個線程，比開進程開銷要小的多。（這一條並不適用於python）

五 多線程的應用舉例

開啟一個文書處理軟體進程，該進程肯定需要辦不止一件事情，比如監聽鍵盤輸入，處理文字，定時自動將文字儲存到硬碟，這三個任務操作的都是同一塊資料，因而不能用多進程。只能在一個進程裡並發地開啟三個線程,如果是單線程，那就只能是，鍵盤輸入時，不能處理文字和自動儲存，自動儲存時又不能輸入和處理文字。

六 經典的執行緒模式（瞭解）

　　多個線程共用同一個進程的地址空間中的資源，是對一台電腦上多個進程的類比，有時也稱線程為輕量級的進程

　　而對一台電腦上多個進程，則共用實體記憶體、磁碟、印表機等其他實體資源。

　　多線程的運行也多進程的運行類似，是cpu在多個線程之間的快速切換。

　　不同的進程之間是充滿敵意的，彼此是搶佔、競爭cpu的關係，如果迅雷會和QQ搶資源。而同一個進程是由一個程式員的程式建立，所以同一進程內的線程是合作關係，一個線程可以訪問另外一個線程的記憶體位址，大家都是共用的，一個線程乾死了另外一個線程的記憶體，那純屬程式員腦子有問題。

　　類似於進程，每個線程也有自己的堆棧

　　不同於進程，線程庫無法利用時鐘中斷強制線程讓出CPU，可以調用thread_yield運行線程自動放棄cpu，讓另外一個線程運行。

　　

　　線程通常是有益的，但是帶來了不小程式設計難度，線程的問題是：

　　1. 父進程有多個線程，那麼開啟的子線程是否需要同樣多的線程

　　　如果是，那麼附近中某個線程被阻塞，那麼copy到子進程後，copy版的線程也要被阻塞嗎，想一想nginx的多線程模式接收使用者串連。

　　2. 在同一個進程中，如果一個線程關閉了問題，而另外一個線程正準備往該檔案內寫內容呢？

          如果一個線程注意到沒有記憶體了，並開始分配更多的記憶體，在工作一半時，發生線程切換，新的線程也發現記憶體不夠用了，又開始分配更多的記憶體，這樣記憶體就被分配了多次，這些問題都是多線程編程的典型問題，需要仔細思考和設計。

七 POSIX線程（瞭解）

    為了實現可移植的線程程式,IEEE在IEEE標準1003.1c中定義了線程標準，它定義的線程包叫Pthread。大部分UNIX系統都支援該標準，簡單介紹如下

八 在使用者空間實現的線程（瞭解）

    線程的實現可以分為兩類：使用者級線程(User-Level Thread)和核心線線程(Kernel-Level Thread)，後者又稱為核心支援的線程或輕量級進程。在多線程作業系統中，各個系統的實現方式並不相同，在有的系統中實現了使用者級線程，有的系統中實現了核心級線程。

    使用者級線程核心的切換由使用者態程式自己控制核心切換,不需要核心幹涉，少了進出核心態的消耗，但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大體是這麼做的。

 

 　　在使用者空間類比作業系統對進程的調度，來調用一個進程中的線程，每個進程中都會有一個運行時系統，用來調度線程。此時當該進程擷取cpu時，進程內再調度出一個線程去執行，同一時刻只有一個線程執行。

九 在核心空間實現的線程（瞭解）

    核心級線程:切換由核心控制，當線程進行切換的時候，由使用者態轉化為核心態。切換完畢要從核心態返回使用者態；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows線程就是這樣的。

十 使用者級與核心級線程的對比（瞭解）

    一： 以下是使用者級線程和核心級線程的區別：

1. 核心支援線程是OS核心可感知的，而使用者級線程是OS核心不可感知的。
2. 使用者級線程的建立、撤消和調度不需要OS核心的支援，是在語言（如Java）這一級處理的；而核心支援線程的建立、撤消和調度都需OS核心提供支援，而且與進程的建立、撤消和調度大體是相同的。
3. 使用者級線程執行系統調用指令時將導致其所屬進程被中斷，而核心支援線程執行系統調用指令時，只導致該線程被中斷。
4. 在只有使用者級線程的系統內，CPU調度還是以進程為單位，處於運行狀態的進程中的多個線程，由使用者程式控制線程的輪換運行；在有核心支援線程的系統內，CPU調度則以線程為單位，由OS的線程發送器負責線程的調度。
5. 使用者級線程的程式實體是運行在使用者態下的程式，而核心支援線程的程式實體則是可以運行在任何狀態下的程式。

    二： 核心線程的優缺點

　　優點：

1. 當有多個處理機時，一個進程的多個線程可以同時執行。

　　缺點：

1. 由核心進行調度。

    三： 使用者進程的優缺點

　　優點：

1. 線程的調度不需要核心直接參与，控制簡單。
2. 可以在不支援線程的作業系統中實現。
3. 建立和銷毀線程、線程切換代價等線程管理的代價比核心線程少得多。
4. 允許每個進程定製自己的調度演算法，線程管理比較靈活。
5. 線程能夠利用的資料表空間和堆棧空間比核心級線程多。
6. 同一進程中只能同時有一個線程在運行，如果有一個線程使用了系統調用而阻塞，那麼整個進程都會被掛起。另外，頁面失效也會產生同樣的問題。

　　缺點：

1. 資源調度按照進程進行，多個處理機下，同一個進程中的線程只能在同一個處理機下分時複用

十一 混合實現（瞭解）

　　使用者級與核心級的多工，核心同一調度核心線程，每個核心線程對應n個使用者線程

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