python併發程式設計之多執行緒理論部分

一、什麼是執行緒　　

    在傳統作業系統中，每個程式有一個地址空間，而且預設就有一個控制執行緒。

    執行緒就是一條流水線工作的過程，一條流水線必須屬於一個車間，一個車間的工作過程是一個程式。

    車間負責把資源整合到一起，是一個資源單位，而一個車間內至少有一個流水線流水線的工作需要電源，電源就相當於cpu。

    所以，程式只是用來把資源集中到一起（程式只是一個資源單位，或者說資源集合），而執行緒才是cpu上的執行單位。

    多執行緒（即多個控制執行緒）的概念是，在一個程式中存在多個控制執行緒，多個控制執行緒共享該程式的地址空間，相當於一個車間內有多條流水線，都共用一個車間的資源。

    例如，北京地鐵與上海地鐵是不同的程式，而北京地鐵裡的13號線是一個執行緒，北京地鐵所有的線路共享北京地鐵所有的資源，比如所有的乘客可以被所有線路拉。

二、執行緒的建立開銷小

1、建立程式的開銷要遠大於執行緒？

    如果我們的軟體是一個工廠，該工廠有多條流水線，流水線工作需要電源，電源只有一個即cpu（單核cpu）

    一個車間就是一個程式，一個車間至少一條流水線（一個程式至少一個執行緒）

    建立一個程式，就是建立一個車間（申請空間，在該空間內建至少一條流水線）

    而建執行緒，就只是在一個車間內造一條流水線，無需申請空間，所以建立開銷小

2、程式之間是競爭關係，執行緒之間是協作關係？

    車間直接是競爭/搶電源的關係，競爭（不同的程式直接是競爭關係，是不同的程式設計師寫的程式執行的，迅雷搶佔其他程式的網速，360把其他程式當做病毒殺死）

    一個車間的不同流水線式協同工作的關係（同一個程式的執行緒之間是合作關係，是同一個程式寫的程式內開啟動，迅雷內的執行緒是合作關係）

三、執行緒與程式的區別

    後續補充

四、為何要用多執行緒

多執行緒指的是，在一個程式中開啟多個執行緒，簡單的講：如果多個任務共用一塊地址空間，那麼必須在一個程式內開啟多個執行緒。詳細的講分為4點：

    1.多執行緒共享一個程式的地址空間

    2.執行緒比程式更輕量級，執行緒比程式更容易建立可撤銷，在許多作業系統中，建立一個執行緒比建立一個程式要快10-100倍，在有大量執行緒需要動態和快速修改時，這一特性很有用

    3.若多個執行緒都是cpu密集型的，那麼並不能獲得效能上的增強，但是如果存在大量的計算和大量的I/O處理，擁有多個執行緒允許這些活動彼此重疊執行，從而會加快程式執行的速度。

    4.在多cpu系統中，為了最大限度的利用多核，可以開啟多個執行緒，比開程式開銷要小的多。（這一條並不適用於python）

五、多執行緒的應用舉例

開啟一個字處理軟體程式，該程式辦不止一件事情，比如監聽鍵盤輸入，處理文字，定時自動將文字儲存到硬碟。

    這三個任務操作的都是同一塊資料，因而不能用多程式。

    只能在一個程式裡併發地開啟三個執行緒,如果是單執行緒，那就只能是，鍵盤輸入時，不能處理文字和自動儲存，自動儲存時又不能輸入和處理文字。

六、經典的執行緒模型（瞭解）

七、POSIX執行緒（瞭解）

八、在使用者空間實現的執行緒（瞭解）

執行緒的實現可以分為兩類：使用者級執行緒(User-Level Thread)和核心級執行緒(Kernel-Level Thread)，後者又稱為核心支援的執行緒或輕量級程式。

在多執行緒作業系統中，各個系統的實現方式並不相同，在有的系統中實現了使用者級執行緒，有的系統中實現了核心級執行緒。

使用者級執行緒核心的切換由使用者態程式自己控制核心切換,不需要核心干涉，少了進出核心態的消耗，但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大體是這麼做的。

九、在核心空間實現的執行緒（瞭解）

核心級執行緒:切換由核心控制，當執行緒進行切換的時候，由使用者態轉化為核心態。切換完畢要從核心態返回使用者態；

這樣可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows執行緒就是這樣的。

十、使用者級與核心級執行緒的對比（瞭解）

1、以下是使用者級執行緒和核心級執行緒的區別：

    核心級執行緒是OS核心可感知的，而使用者級執行緒是OS核心不可感知的。

    使用者級執行緒的建立、撤消和排程不需要OS核心的支援，是在語言這一級處理的；而核心支援執行緒的建立、撤消和排程都需OS核心提供支援，而且與程式的建立、撤消和排程大體是相同的。

    使用者級執行緒執行系統呼叫指令時將導致其所屬程式被中斷，而核心支援執行緒執行系統呼叫指令時，只導致該執行緒被中斷。

    在只有使用者級執行緒的系統內，CPU排程還是以程式為單位，處於執行狀態的程式中的多個執行緒，由使用者程式控制執行緒的輪換執行；在有核心支援執行緒的系統內，CPU排程則以執行緒為單位，由OS的執行緒排程程式負責執行緒的排程。

    使用者級執行緒的程式實體是執行在使用者態下的程式，而核心支援執行緒的程式實體則是可以執行在任何狀態下的程式。

2、核心執行緒的優缺點

優點：當有多個處理機時，一個程式的多個執行緒可以同時執行。

缺點：由核心進行排程。

3、使用者程式的優缺點

優點：執行緒的排程不需要核心直接參與，控制簡單。

    可以在不支援執行緒的作業系統中實現。

    建立和銷燬執行緒、執行緒切換代價等執行緒管理的代價比核心執行緒少得多。

    允許每個程式定製自己的排程演算法，執行緒管理比較靈活。

    執行緒能夠利用的表空間和堆疊空間比核心級執行緒多。

    同一程式中只能同時有一個執行緒在執行，如果有一個執行緒使用了系統呼叫而阻塞，那麼整個程式都會被掛起。另外，頁面失效也會產生同樣的問題。

缺點：資源排程按照程式進行，多個處理機下，同一個程式中的執行緒只能在同一個處理機下分時複用

十一、混合實現（瞭解）

使用者級與核心級的多路複用，核心同一排程核心執行緒，每個核心執行緒對應n個使用者執行緒