本篇理论居多,实际操作见:   python并发编程&多线程(二)


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

  线程顾名思义,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

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

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干死)
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,不会自己干自己)

 

三 线程与进程的区别

  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 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(了解)

  多个线程共享同一个进程的地址空间中的资源,是对一台计算机上多个进程的模拟,有时也称线程为轻量级的进程

  而对一台计算机上多个进程,则共享物理内存、磁盘、打印机等其他物理资源。

  多线程的运行也多进程的运行类似,是cpu在多个线程之间的快速切换。

  不同的进程之间是充满敌意的,彼此是抢占、竞争cpu的关系,如果迅雷会和QQ抢资源。而同一个进程是由一个程序员的程序创建,所以同一进程内的线程是合作关系,一个线程可以访问另外一个线程的内存地址,大家都是共享的,一个线程干死了另外一个线程的内存,那纯属程序员脑子有问题。

  类似于进程,每个线程也有自己的堆栈

  不同于进程,线程库无法利用时钟中断强制线程让出CPU,可以调用thread_yield运行线程自动放弃cpu,让另外一个线程运行。

  

  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(了解)

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(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;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)

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
 

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

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