本篇理論居多,實際操作見: 　　python並發編程&多線程(二)

一 什麽是線程　　

　　在傳統操作系統中，每個進程有一個地址空間，而且默認就有一個控制線程

　　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，多個控制線程共享該進程的地址空間，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，而北京地鐵裏的13號線是一個線程，北京地鐵所有的線路共享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 線程的創建開銷小

創建進程的開銷要遠大於線程？

如果我們的軟件是一個工廠，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）

創建一個進程，就是創建一個車間（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，所以創建開銷小

進程之間是競爭關系，線程之間是協作關系？

車間直接是競爭/搶電源的關系，競爭（不同的進程直接是競爭關系，是不同的程序員寫的程序運行的，迅雷搶占其他進程的網速，360把其他進程當做病毒幹死）

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，那麽必須在一個進程內開啟多個線程。詳細的講分為4點：

　 1. 多線程共享一個進程的地址空間

2. 線程比進程更輕量級，線程比進程更容易創建可撤銷，在許多操作系統中，創建一個線程比創建一個進程要快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，那麽並不能獲得性能上的增強，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，從而會加快程序執行的速度。

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

開啟一個字處理軟件進程，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，定時自動將文字保存到硬盤，這三個任務操作的都是同一塊數據，因而不能用多進程。只能在一個進程裏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保存，自動保存時又不能輸入和處理文字。

六 經典的線程模型（了解）

　　多個線程共享同一個進程的地址空間中的資源，是對一臺計算機上多個進程的模擬，有時也稱線程為輕量級的進程

　　而對一臺計算機上多個進程，則共享物理內存、磁盤、打印機等其他物理資源。

　　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，彼此是搶占、競爭cpu的關系，如果迅雷會和QQ搶資源。而同一個進程是由一個程序員的程序創建，所以同一進程內的線程是合作關系，一個線程可以訪問另外一個線程的內存地址，大家都是共享的，一個線程幹死了另外一個線程的內存，那純屬程序員腦子有問題。

　　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，但是帶來了不小程序設計難度，線程的問題是：

　　1. 父進程有多個線程，那麽開啟的子線程是否需要同樣多的線程

　　　如果是，那麽附近中某個線程被阻塞，那麽copy到子進程後，copy版的線程也要被阻塞嗎，想一想nginx的多線程模式接收用戶連接。

　　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文件內寫內容呢？

如果一個線程註意到沒有內存了，並開始分配更多的內存，在工作一半時，發生線程切換，新的線程也發現內存不夠用了，又開始分配更多的內存，這樣內存就被分配了多次，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（了解）

為了實現可移植的線程程序,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系統都支持該標準，簡單介紹如下

八 在用戶空間實現的線程（了解）

線程的實現可以分為兩類：用戶級線程(User-Level Thread)和內核線線程(Kernel-Level Thread)，後者又稱為內核支持的線程或輕量級進程。在多線程操作系統中，各個系統的實現方式並不相同，在有的系統中實現了用戶級線程，有的系統中實現了內核級線程。

用戶級線程內核的切換由用戶態程序自己控制內核切換,不需要內核幹涉，少了進出內核態的消耗，但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大體是這麽做的。

　　在用戶空間模擬操作系統對進程的調度，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。此時當該進程獲取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 在內核空間實現的線程（了解）

內核級線程:切換由內核控制，當線程進行切換的時候，由用戶態轉化為內核態。切換完畢要從內核態返回用戶態；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows線程就是這樣的。

十 用戶級與內核級線程的對比（了解）

一： 以下是用戶級線程和內核級線程的區別：

1. 內核支持線程是OS內核可感知的，而用戶級線程是OS內核不可感知的。
2. 用戶級線程的創建、撤消和調度不需要OS內核的支持，是在語言（如Java）這一級處理的；而內核支持線程的創建、撤消和調度都需OS內核提供支持，而且與進程的創建、撤消和調度大體是相同的。
3. 用戶級線程執行系統調用指令時將導致其所屬進程被中斷，而內核支持線程執行系統調用指令時，只導致該線程被中斷。
4. 在只有用戶級線程的系統內，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，由用戶程序控制線程的輪換運行；在有內核支持線程的系統內，CPU調度則以線程為單位，由OS的線程調度程序負責線程的調度。
5. 用戶級線程的程序實體是運行在用戶態下的程序，而內核支持線程的程序實體則是可以運行在任何狀態下的程序。

二： 內核線程的優缺點

　　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. 由內核進行調度。

三： 用戶進程的優缺點

　　優點：

1. 線程的調度不需要內核直接參與，控制簡單。
2. 可以在不支持線程的操作系統中實現。
3. 創建和銷毀線程、線程切換代價等線程管理的代價比內核線程少得多。
4. 允許每個進程定制自己的調度算法，線程管理比較靈活。
5. 線程能夠利用的表空間和堆棧空間比內核級線程多。
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，那麽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復用

十一 混合實現（了解）

　　用戶級與內核級的多路復用，內核同一調度內核線程，每個內核線程對應n個用戶線程

python並發編程&多線程（一）