python并发编程之多线程理论部分

Posted 2020-10-25

一、什么是线程　　
    在传统操作系统中，每个进程有一个地址空间，而且默认就有一个控制线程。
    线程就是一条流水线工作的过程，一条流水线必须属于一个车间，一个车间的工作过程是一个进程。
    车间负责把资源整合到一起，是一个资源单位，而一个车间内至少有一个流水线流水线的工作需要电源，电源就相当于cpu。
    所以，进程只是用来把资源集中到一起（进程只是一个资源单位，或者说资源集合），而线程才是cpu上的执行单位。
    多线程（即多个控制线程）的概念是，在一个进程中存在多个控制线程，多个控制线程共享该进程的地址空间，相当于一个车间内有多条流水线，都共用一个车间的资源。
    例如，北京地铁与上海地铁是不同的进程，而北京地铁里的13号线是一个线程，北京地铁所有的线路共享北京地铁所有的资源，比如所有的乘客可以被所有线路拉。

二、线程的创建开销小
1、创建进程的开销要远大于线程？
    如果我们的软件是一个工厂，该工厂有多条流水线，流水线工作需要电源，电源只有一个即cpu（单核cpu）
    一个车间就是一个进程，一个车间至少一条流水线（一个进程至少一个线程）
    创建一个进程，就是创建一个车间（申请空间，在该空间内建至少一条流水线）
    而建线程，就只是在一个车间内造一条流水线，无需申请空间，所以创建开销小
2、进程之间是竞争关系，线程之间是协作关系？
    车间直接是竞争/抢电源的关系，竞争（不同的进程直接是竞争关系，是不同的程序员写的程序运行的，迅雷抢占其他进程的网速，360把其他进程当做病毒杀死）
    一个车间的不同流水线式协同工作的关系（同一个进程的线程之间是合作关系，是同一个程序写的程序内开启动，迅雷内的线程是合作关系）

三、线程与进程的区别
    后续补充

四、为何要用多线程
多线程指的是，在一个进程中开启多个线程，简单的讲：如果多个任务共用一块地址空间，那么必须在一个进程内开启多个线程。详细的讲分为4点：
    1.多线程共享一个进程的地址空间
    2.线程比进程更轻量级，线程比进程更容易创建可撤销，在许多操作系统中，创建一个线程比创建一个进程要快10-100倍，在有大量线程需要动态和快速修改时，这一特性很有用
    3.若多个线程都是cpu密集型的，那么并不能获得性能上的增强，但是如果存在大量的计算和大量的I/O处理，拥有多个线程允许这些活动彼此重叠运行，从而会加快程序执行的速度。
    4.在多cpu系统中，为了最大限度的利用多核，可以开启多个线程，比开进程开销要小的多。（这一条并不适用于python）

五、多线程的应用举例

    开启一个字处理软件进程，该进程办不止一件事情，比如监听键盘输入，处理文字，定时自动将文字保存到硬盘。
    这三个任务操作的都是同一块数据，因而不能用多进程。
    只能在一个进程里并发地开启三个线程,如果是单线程，那就只能是，键盘输入时，不能处理文字和自动保存，自动保存时又不能输入和处理文字。

六、经典的线程模型（了解）
七、POSIX线程（了解）
八、在用户空间实现的线程（了解）
线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-Level Thread)和内核级线程(Kernel-Level Thread)，后者又称为内核支持的线程或轻量级进程。
在多线程操作系统中，各个系统的实现方式并不相同，在有的系统中实现了用户级线程，有的系统中实现了内核级线程。
用户级线程内核的切换由用户态程序自己控制内核切换,不需要内核干涉，少了进出内核态的消耗，但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大体是这么做的。

九、在内核空间实现的线程（了解）
内核级线程:切换由内核控制，当线程进行切换的时候，由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态；
这样可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows线程就是这样的。

十、用户级与内核级线程的对比（了解）
1、以下是用户级线程和内核级线程的区别：
    内核级线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。
    用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持，是在语言这一级处理的；而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持，而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。
    用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。
    在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。
    用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序，而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。
2、内核线程的优缺点
优点：当有多个处理机时，一个进程的多个线程可以同时执行。
缺点：由内核进行调度。
3、用户进程的优缺点
优点：线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。
    可以在不支持线程的操作系统中实现。
    创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。
    允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。
    线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
    同一进程中只能同时有一个线程在运行，如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起。另外，页面失效也会产生同样的问题。
缺点：资源调度按照进程进行，多个处理机下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用

十一、混合实现（了解）
用户级与内核级的多路复用，内核同一调度内核线程，每个内核线程对应n个用户线程