python week08 併發編程之多線程--理論部分

一. 什麼是線程　

　　1.定義

　　　　線程就像一條工廠車間裏的流水線，一個車間裏能夠用不少流水線，來執行生產每一個零部件的任務。

　　　　因此車間能夠看做是進程，流水線能夠看做是線程。(進程是資源單位，線程是執行單位)

　　　　啓動一個進程，至少該進程內有一個線程(主線程，「父線程」)

 

　　2.爲何要用線程?　　

　　　　比喻：一個車間須要至少有一條生產線，若是主生產線生產汽車的發動機，若是還想要生產變速箱，底盤，是新開一個車間來生產，仍是再開2個生產線進行生產快呢？ 而且三大件之間須要彼此共享　　　　合做，因此多個流水線生產很重要！

　　　　總結：線程的特色

　　　　　　1.同一進程下的多個線程共享該進程內的資源

　　　　　　2.開啓一個線程的開銷遠遠小於開啓一個進程

　　　ps:建立進程須要申請空間，而且該空間內至少一條流水線，建立線程無需申請空間，因此開銷小。

　　　　

　　　　

　　3.怎麼用線程？

　　　　涉及線程的建立和使用場景，請見併發編程多線程--實踐部分。

　
二.線程之間的協做關係

　　比喻:多個車間都是資源單位，爲了生產的流水線，是一種資源競爭關係；而同一個車間的流水線，則是協同關係，協同配合，資源共享，達標完成車間主任部署的生產任務。

 

　　總結:

　　　　進程之間的關係是競爭關係，而線程之間是協做關係。

　　

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.
　　線程共享建立它的進程的地址空間; 進程有本身的地址空間。

　　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.
　　 線程能夠直接訪問其進程的數據段; 進程擁有本身父進程數據段的副本。

　　3.Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
　　線程能夠直接與其進程的其餘線程通訊; 進程必須使用進程間通訊來與兄弟進程通訊。


　　4.New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
　　 新線程很容易建立; 新流程須要複製父流程。
 
　　5.Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
　　線程能夠對同一進程的線程進行至關大的控制; 進程只能控制子進程。

　　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.
　　對主線程的更改（取消，優先級更改等）可能會影響進程的其餘線程的行爲; 對父進程的更改不會影響子進程。

四.爲什麼要用多線程

　　多線程指的是，在一個進程中開啓多個線程，簡單一點說：若是多個任務公用一塊地址空間，那必須在一個進程內開啓多個線程來完成多個任務(聯想:word的編輯，定時保存，預覽等)。

　　詳細的講分爲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，線程比進程跟容易建立可撤銷，在不少操做系統中，建立一個線程比建立一個進程要快10-100倍，在有大量線程須要動態和快速修改時候，這一特性頗有用。

　　　　3.若多個線程都是cpu密集型，那麼並不能得到性能上的加強，可是若是存在大量的計算和大量的I/O處理，擁有多個線程運行這些活動彼此重疊運行，從而會加速程序的執行速度。

　　　　4.在多個cpu系統中，爲了最大限度的利用多核，能夠開啓多個線程，比開進程開銷小的多(這一條不太適用python)

五.多線程的應用舉例

 

　　

 

　　例如:Notepad++,打開該程序後開啓了一個進程，可是該進程不止作一件事情，有監聽鍵盤輸入，文理文字，定時自動保存到硬盤等等操做，而這3個任務操做的都是同一快數據，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，鍵盤輸入的時候，不可以處理文字和自動保存，自動保存的時候又不能輸入和處理文字。

六.經典的線程模型（瞭解）

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖一

 

　　1.圖一可知：

　　不一樣進程之間是充滿敵意的，彼此搶佔，競爭cpu的關係，如360和qq搶佔資源。而同一進程是由一個程序員建立的，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內的內存地址，進　　程的線程共享彼此的內存信息。

　　多個線程共享同一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，因此有時候也稱之爲輕量級的進程。

　　而一臺計算機上的多個進程，則共享物理內存，磁盤，打印機等其餘物理資源。

　　多線程的運行與多進程的運行相似，是cpu在多個線程之間的快速切換。

 

 

　　

　　　　　　　　　　　　　　圖二

 

 

　　2.圖二可知:

　　　　相似進程，每一個線程內部也有本身的堆棧。

　　　　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。

 

 

 

　　3.總結:

　　　　線程一般是有益的，可是帶來了很多程序設計難度，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。

　　　　若是是，那麼附近中的某個線程被阻塞，那麼copy到子進程後，copy版的線程也要被阻塞嗎？想想nginx的多線程模式接收用戶鏈接。

　　　　

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

　　　　若是一個線程注意到沒有內存了，並開始分配更多的內存，在工做一半時，發生線程切換，新的線程也發現內存不夠，又開始分配更多的內存，這樣內存就被分配了不少次，這些問題都是多線程編程　　　　的典型問題，須要仔細思考和設計的。

　　

　　　　

 

 

　　

 

七.POSIX線程（瞭解）

　　爲了實現可移植線程程序，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系統都支持該系統標準:

　　

 

八.在用戶空間實現的線程（瞭解）

　　線程的實現能夠分爲2類：用戶級線程(User-Level Thread) 和內核級線程(Kernel-Level Thread)，後者又稱之爲內核支持的線程或者輕量級線程。

　　在多線程操做系統中，各個系統的實現方式並不一樣，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。

 

　　

 

　　所以，在用戶空間模擬操做系統對進程的調度，來調用一個進程中的線程，每一個進程中都會有一個運行時的系統，用來調度線程。

　　此時當該進程後去cpu的時候，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（瞭解）

　　

　　

 

 

　　內核級線程:切換由內核控制，當線程進行切換的時候，由用戶態轉化爲內核態。

　　切換完畢要從內核態返回用戶態；

　　能夠很好的利用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（瞭解）

　　1.用戶級與內核級的線程區別:

　　

　　2.內核線程的優缺點

　　　　優勢:

　　　　　　當有多個處理機制的時候，一個進程的多個線程能夠同時執行。

　　　　缺點:

　　　　　　由內核進行調度

 

　　3.用戶線程的優缺點

　　　　優勢:

　　　　　　1):線程的調度不須要內核直接參與，控制簡單

　　　　　　2):能夠在不支持線程的操做系統中實現

　　　　　　3):建立和銷燬線程，線程切換等線程管理的代價比內核線程少的的多

　　　　　　4):運行每一個進程控制本身的調度算法，線程管理比較靈活

　　　　　　5):線程可以利用的表空間和堆棧空間比內核級線程多

　　　　　　6):同一個進程中只能同時有一個線程在運行，若是一個線程使用了系統調用二阻塞，那麼整個進程都會被掛起。另外，頁面失效也會產生一樣的問題。

 

　　　　缺點:

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

　　

　　　　

十一.混合實現（瞭解）

　　用戶級與內核級的多路複用，內核同一調度內核線程，每一個內核線程對應n個用戶線程。

 

　　

 

十二.線程小故事

　　關於線程的小故事