python基礎(33):線程(一)

1. 線程概念的引入背景

1.1 進程

以前咱們已經瞭解了操做系統中進程的概念，程序並不能單獨運行，只有將程序裝載到內存中，系統爲它分配資源才能運行，而這種執行的程序就稱之爲進程。程序和進程的區別就在於：程序是指令的集合，它是進程運行的靜態描述文本；進程是程序的一次執行活動，屬於動態概念。在多道編程中，咱們容許多個程序同時加載到內存中，在操做系統的調度下，能夠實現併發地執行。這是這樣的設計，大大提升了CPU的利用率。進程的出現讓每一個用戶感受到本身獨享CPU，所以，進程就是爲了在CPU上實現多道編程而提出的。

1.2 爲何要有線程

進程有不少優勢，它提供了多道編程，讓咱們感受咱們每一個人都擁有本身的CPU和其餘資源，能夠提升計算機的利用率。不少人就不理解了，既然進程這麼優秀，爲何還要線程呢？其實，仔細觀察就會發現進程仍是有不少缺陷的，主要體如今兩點上：

進程只能在一個時間幹一件事，若是想同時幹兩件事或多件事，進程就無能爲力了。

進程在執行的過程當中若是阻塞，例如等待輸入，整個進程就會掛起，即便進程中有些工做不依賴於輸入的數據，也將沒法執行。

若是這兩個缺點理解比較困難的話，舉個現實的例子也許你就清楚了：若是把咱們上課的過程當作一個進程的話，那麼咱們要作的是耳朵聽老師講課，手上還要記筆記，腦子還要思考問題，這樣才能高效的完成聽課的任務。而若是隻提供進程這個機制的話，上面這三件事將不能同時執行，同一時間只能作一件事，聽的時候就不能記筆記，也不能用腦子思考，這是其一；若是老師在黑板上寫演算過程，咱們開始記筆記，而老師忽然有一步推不下去了，阻塞住了，他在那邊思考着，而咱們呢，也不能幹其餘事，即便你想趁此時思考一下剛纔沒聽懂的一個問題都不行，這是其二。

如今你應該明白了進程的缺陷了，而解決的辦法很簡單，咱們徹底可讓聽、寫、思三個獨立的過程，並行起來，這樣很明顯能夠提升聽課的效率。而實際的操做系統中，也一樣引入了這種相似的機制——線程。

1.3 線程的出現

60年代，在OS中能擁有資源和獨立運行的基本單位是進程，然而隨着計算機技術的發展，進程出現了不少弊端，一是因爲進程是資源擁有者，建立、撤消與切換存在較大的時空開銷，所以須要引入 輕型進程；二是因爲對稱多處理機（SMP）出現， 能夠知足多個運行單位，而多個進程並行開銷過大。

所以在80年代，出現了 能獨立運行的基本單位——線程（Threads） 。

注意：進程是資源分配的最小單位,線程是CPU調度的最小單位.

　　    每個進程中至少有一個線程。

2. 進程和線程的關係

 

 

線程與進程的區別能夠概括爲如下4點：

地址空間和其它資源（如打開文件）：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享。某進程內的線程在其它進程不可見。

通訊：進程間通訊IPC，線程間能夠直接讀寫進程數據段（如全局變量）來進行通訊——須要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數據的一致性。

調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。

在多線程操做系統中，進程不是一個可執行的實體。

3. 線程的特色

在多線程的操做系統中，一般是在一個進程中包括多個線程，每一個線程都是做爲利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具備如下屬性。

3.1 輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。

線程的實體包括程序、數據和TCB。線程是動態概念，它的動態特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。

TCB包括如下信息：

線程狀態。

當線程不運行時，被保存的現場資源。

一組執行堆棧。

存放每一個線程的局部變量主存區。

訪問同一個進程中的主存和其它資源。 

用於指示被執行指令序列的程序計數器、保留局部變量、少數狀態參數和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

3.2 獨立調度和分派的基本單位

在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，於是也是獨立調度和分派的基本單位。因爲線程很「輕」，故線程的切換很是迅速且開銷小（在同一進程中的）。

3.3 共享進程資源

線程在同一進程中的各個線程，均可以共享該進程所擁有的資源，這首先表如今：全部線程都具備相同的進程id，這意味着，線程能夠訪問該進程的每個內存資源；此外，還能夠訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。因爲同一個進程內的線程共享內存和文件，因此線程之間互相通訊沒必要調用內核。

3.4 可併發執行

在一個進程中的多個線程之間，能夠併發執行，甚至容許在一個進程中全部線程都能併發執行；一樣，不一樣進程中的線程也能併發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍設備並行工做的能力。

4. 使用線程的實際場景

 

開啓一個字處理軟件進程，該進程確定須要辦不止一件事情，好比監聽鍵盤輸入，處理文字，定時自動將文字保存到硬盤，這三個任務操做的都是同一塊數據，於是不能用多進程。只能在一個進程裏併發地開啓三個線程,若是是單線程，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。

5. 內存中的線程

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，有時也稱線程爲輕量級的進程。

而對一臺計算機上多個進程，則共享物理內存、磁盤、打印機等其餘物理資源。多線程的運行也多進程的運行相似，是cpu在多個線程之間的快速切換。

不一樣的進程之間是充滿敵意的，彼此是搶佔、競爭cpu的關係，若是迅雷會和QQ搶資源。而同一個進程是由一個程序員的程序建立，因此同一進程內的線程是合做關係，一個線程能夠訪問另一個線程的內存地址，你們都是共享的，一個線程乾死了另一個線程的內存，那純屬程序員腦子有問題。

相似於進程，每一個線程也有本身的堆棧，不一樣於進程，線程庫沒法利用時鐘中斷強制線程讓出CPU，能夠調用thread_yield運行線程自動放棄cpu，讓另一個線程運行。

線程一般是有益的，可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，那麼開啓的子線程是否須要一樣多的線程

2. 在同一個進程中，若是一個線程關閉了文件，而另一個線程正準備往該文件內寫內容呢？

所以，在多線程的代碼中，須要更多的心思來設計程序的邏輯、保護程序的數據。