python并发编程(四):多线程(理论篇)

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

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。车间就相当于是进程。

二、创建线程开销小

1. 创建一个进程,就相当于创建一个车间(申请空间,在该空间内建至少一条流水线)
2. 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

三、进程和线程的区别

1. 同一进程下的各个线程共享创建它们的进程的地址空间;各个进程它们都有自己的地址空间。
2. 线程可以直接访问其进程的数据段;进程有自己的父进程的数据段副本。
3. 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与同级进程通信。
4. 新线程很容易创建;新进程需要复制父进程。
5. 线程可以对同一进程的线程进行相当大的控制;进程只能对子进程进行控制。
6. 对主线程的更改(取消、优先级更改等)可能会影响进程其他线程的行为;对父进程的更改不会影响子进程。

四、为什么要用多线程?

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、 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。

六、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。

七、用户级与内核级线程的对比(了解)

1、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。

2、内核线程的优缺点

优点: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: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: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

八、混合实现(了解)

用户级与内核级的多路复用,内核统一调度内核线程,每个内核线程对应n个用户线程
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