python week08 并发编程之多线程--理论部分

一. 什么是线程　

　　1.定义

　　　　线程就像一条工厂车间里的流水线，一个车间里可以用很多流水线，来执行生产每个零部件的任务。

　　　　所以车间可以看作是进程，流水线可以看作是线程。(进程是资源单位，线程是执行单位)

　　　　启动一个进程，至少该进程内有一个线程(主线程，“父线程”)

　　2.为什么要用线程?　　

　　　　比喻：一个车间需要至少有一条生产线，如果主生产线生产汽车的发动机，如果还想要生产变速箱，底盘，是新开一个车间来生产，还是再开2个生产线进行生产快呢？ 并且三大件之间需要彼此共享　　　　合作，所以多个流水线生产很重要！

　　　　总结：线程的特点

　　　　　　1.同一进程下的多个线程共享该进程内的资源

　　　　　　2.开启一个线程的开销远远小于开启一个进程

　　　ps:创建进程需要申请空间，并且该空间内至少一条流水线，创建线程无需申请空间，所以开销小。

　　　　

　　　　

　　3.怎么用线程？

　　　　涉及线程的创建和使用场景，请见并发编程多线程--实践部分。

　
二.线程之间的协作关系

　　比喻:多个车间都是资源单位，为了生产的流水线，是一种资源竞争关系；而同一个车间的流水线，则是协同关系，协同配合，资源共享，达标完成车间主任部署的生产任务。

　　总结:

　　　　进程之间的关系是竞争关系，而线程之间是协作关系。

　　

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.
　　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.Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data segment of the parent process.
　　 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.Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
　　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.New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
　　 新线程很容易创建; 新流程需要复制父流程。
 
　　5.Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
　　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.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.
　　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，简单一点说：如果多个任务公用一块地址空间，那必须在一个进程内开启多个线程来完成多个任务(联想:word的编辑，定时保存，预览等)。

　　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，线程比进程跟容易创建可撤销，在很多操作系统中，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候，这一特性很有用。

　　　　3.若多个线程都是cpu密集型，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，拥有多个线程运行这些活动彼此重叠运行，从而会加速程序的执行速度。

　　　　4.在多个cpu系统中，为了最大限度的利用多核，可以开启多个线程，比开进程开销小的多(这一条不太适用python)

五.多线程的应用举例

　　

　　例如:Notepad++,打开该程序后开启了一个进程，但是该进程不止做一件事情，有监听键盘输入，文理文字，定时自动保存到硬盘等等操作，而这3个任务操作的都是同一快数据，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，键盘输入的时候，不能够处理文字和自动保存，自动保存的时候又不能输入和处理文字。

六.经典的线程模型（了解）

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图一

　　1.图一可知：

　　不同进程之间是充满敌意的，彼此抢占，竞争cpu的关系，如360和qq抢占资源。而同一进程是由一个程序员创建的，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内的内存地址，进　　程的线程共享彼此的内存信息。

　　多个线程共享同一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，所以有时候也称之为轻量级的进程。

　　而一台计算机上的多个进程，则共享物理内存，磁盘，打印机等其他物理资源。

　　多线程的运行与多进程的运行类似，是cpu在多个线程之间的快速切换。

　　

　　　　　　　　　　　　　　图二

　　2.图二可知:

　　　　类似进程，每个线程内部也有自己的堆栈。

　　　　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。

　　3.总结:

　　　　线程通常是有益的，但是带来了不少程序设计难度，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，那么附近中的某个线程被阻塞，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文件，而另外一个线程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，又开始分配更多的内存，这样内存就被分配了很多次，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的。

　　

　　　　

　　

七.POSIX线程（了解）

　　为了实现可移植线程程序，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系统都支持该系统标准:

　　

八.在用户空间实现的线程（了解）

　　线程的实现可以分为2类：用户级线程(User-Level Thread) 和内核级线程(Kernel-Level Thread)，后者又称之为内核支持的线程或者轻量级线程。

　　在多线程操作系统中，各个系统的实现方式并不同，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。

　　

　　因此，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的系统，用来调度线程。

　　此时当该进程后去cpu的时候，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）

　　1.用户级与内核级的线程区别:

　　

　　2.内核线程的优缺点

　　　　优点:

　　　　　　当有多个处理机制的时候，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.用户线程的优缺点

　　　　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，线程切换等线程管理的代价比内核线程少的的多

　　　　　　4):运行每个进程控制自己的调度算法，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):同一个进程中只能同时有一个线程在运行，如果一个线程使用了系统调用二阻塞，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，多个处理机制下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机制下分时复用。

　　

　　　　

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。

　　

十二.线程小故事

　　关于线程的小故事