python并发编程之多线程

Posted 2021-01-06 zhangshuyuan

• 一 什么是线程　　
• 二 线程的创建开销小
• 三 线程与进程的区别
• 四 为何要用多线程
• 五 多线程的应用举例
• 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）
• 九 在内核空间实现的线程（了解）
• 十 用户级与内核级线程的对比（了解）
• 十一 混合实现（了解）
• 十二 线程小故事

一 什么是线程

　　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。

 

二 线程的创建开销小

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

进程之间是竞争关系，线程之间是协作关系

 

三 进程与线程的区别

1. 线程共享创建它的进程的地址空间; 进程有自己的地址空间。
2. 线程可以直接访问其进程的数据段; 进程拥有自己父进程数据段的副本。
3. 线程可以直接与其进程的其他线程通信; 进程必须使用进程间通信来与兄弟进程通信。
4. 新线程很容易创建; 新流程需要复制父流程。
5. 线程可以对同一进程的线程进行相当大的控制; 进程只能控制子进程。
6. 对主线程的更改（取消，优先级更改等）可能会影响进程的其他线程的行为; 对父进程的更改不会影响子进程。

 

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 多线程应用举例

开启一个字处理软件进程，该进程肯定需要办不止一件事情，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

线程通常是有益的，但是带来了不小程序设计难度，线程的问题是：

　　1. 父进程有多个线程，那么开启的子线程是否需要同样多的线程

　　　如果是，那么附近中某个线程被阻塞，那么copy到子进程后，copy版的线程也要被阻塞吗，想一想nginx的多线程模式接收用户连接。

　　2. 在同一个进程中，如果一个线程关闭了问题，而另外一个线程正准备往该文件内写内容呢？

          如果一个线程注意到没有内存了，并开始分配更多的内存，在工作一半时，发生线程切换，新的线程也发现内存不够用了，又开始分配更多的内存，这样内存就被分配了多次，这些问题都是多线程编程的典型问题，需要仔细思考和设计。

 

七 POSIX线程标准

为了实现可移植的线程程序,IEEE在IEEE标准1003.1c中定义了线程标准，它定义的线程包叫Pthread。大部分UNIX系统都支持该标准，简单介绍如下

 

八 在用户控件实现线程

 线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-Level Thread)和内核线线程(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。

 在用户空间模拟操作系统对进程的调度，来调用一个进程中的线程，每个进程中都会有一个运行时系统，用来调度线程。此时当该进程获取cpu时，进程内再调度出一个线程去执行，同一时刻只有一个线程执行。

 

九 在内核空间实现的线程

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；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows线程就是这样的。

 

十 用户级和内核级线程的对比

 

  一： 以下是用户级线程和内核级线程的区别：

 

1. 内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。
2. 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（如Java）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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

 

    二： 内核线程的优缺点

 

　　优点：

 

1. 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：

 

1. 由内核进行调度。

 

    三： 用户进程的优缺点

 

　　优点：

 

1. 线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。
2. 可以在不支持线程的操作系统中实现。
3. 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。
4. 允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。
5. 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
6. 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：

 

1. 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

关于线程小故事