python基础(33):线程(一)

1. 线程概念的引入背景

1.1 进程

以前咱们已经了解了操做系统中进程的概念，程序并不能单独运行，只有将程序装载到内存中，系统为它分配资源才能运行，而这种执行的程序就称之为进程。程序和进程的区别就在于：程序是指令的集合，它是进程运行的静态描述文本；进程是程序的一次执行活动，属于动态概念。在多道编程中，咱们容许多个程序同时加载到内存中，在操做系统的调度下，能够实现并发地执行。这是这样的设计，大大提升了CPU的利用率。进程的出现让每一个用户感受到本身独享CPU，所以，进程就是为了在CPU上实现多道编程而提出的。

1.2 为何要有线程

进程有不少优势，它提供了多道编程，让咱们感受咱们每一个人都拥有本身的CPU和其余资源，能够提升计算机的利用率。不少人就不理解了，既然进程这么优秀，为何还要线程呢？其实，仔细观察就会发现进程仍是有不少缺陷的，主要体如今两点上：

进程只能在一个时间干一件事，若是想同时干两件事或多件事，进程就无能为力了。

进程在执行的过程当中若是阻塞，例如等待输入，整个进程就会挂起，即便进程中有些工做不依赖于输入的数据，也将没法执行。

若是这两个缺点理解比较困难的话，举个现实的例子也许你就清楚了：若是把咱们上课的过程当作一个进程的话，那么咱们要作的是耳朵听老师讲课，手上还要记笔记，脑子还要思考问题，这样才能高效的完成听课的任务。而若是只提供进程这个机制的话，上面这三件事将不能同时执行，同一时间只能作一件事，听的时候就不能记笔记，也不能用脑子思考，这是其一；若是老师在黑板上写演算过程，咱们开始记笔记，而老师忽然有一步推不下去了，阻塞住了，他在那边思考着，而咱们呢，也不能干其余事，即便你想趁此时思考一下刚才没听懂的一个问题都不行，这是其二。

如今你应该明白了进程的缺陷了，而解决的办法很简单，咱们彻底可让听、写、思三个独立的过程，并行起来，这样很明显能够提升听课的效率。而实际的操做系统中，也一样引入了这种相似的机制——线程。

1.3 线程的出现

60年代，在OS中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程，然而随着计算机技术的发展，进程出现了不少弊端，一是因为进程是资源拥有者，建立、撤消与切换存在较大的时空开销，所以须要引入 轻型进程；二是因为对称多处理机（SMP）出现， 能够知足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。

所以在80年代，出现了 能独立运行的基本单位——线程（Threads） 。

注意：进程是资源分配的最小单位,线程是CPU调度的最小单位.

　　    每个进程中至少有一个线程。

2. 进程和线程的关系

 

 

线程与进程的区别能够概括为如下4点：

地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。

通讯：进程间通讯IPC，线程间能够直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通讯——须要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。

调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

在多线程操做系统中，进程不是一个可执行的实体。

3. 线程的特色

在多线程的操做系统中，一般是在一个进程中包括多个线程，每一个线程都是做为利用CPU的基本单位，是花费最小开销的实体。线程具备如下属性。

3.1 轻型实体

线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。

线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述。

TCB包括如下信息：

线程状态。

当线程不运行时，被保存的现场资源。

一组执行堆栈。

存放每一个线程的局部变量主存区。

访问同一个进程中的主存和其它资源。 

用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。

3.2 独立调度和分派的基本单位

在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，于是也是独立调度和分派的基本单位。因为线程很“轻”，故线程的切换很是迅速且开销小（在同一进程中的）。

3.3 共享进程资源

线程在同一进程中的各个线程，均可以共享该进程所拥有的资源，这首先表如今：全部线程都具备相同的进程id，这意味着，线程能够访问该进程的每个内存资源；此外，还能够访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。因为同一个进程内的线程共享内存和文件，因此线程之间互相通讯没必要调用内核。

3.4 可并发执行

在一个进程中的多个线程之间，能够并发执行，甚至容许在一个进程中全部线程都能并发执行；一样，不一样进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工做的能力。

4. 使用线程的实际场景

 

开启一个字处理软件进程，该进程确定须要办不止一件事情，好比监听键盘输入，处理文字，定时自动将文字保存到硬盘，这三个任务操做的都是同一块数据，于是不能用多进程。只能在一个进程里并发地开启三个线程,若是是单线程，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。

5. 内存中的线程

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、打印机等其余物理资源。多线程的运行也多进程的运行相似，是cpu在多个线程之间的快速切换。

不一样的进程之间是充满敌意的，彼此是抢占、竞争cpu的关系，若是迅雷会和QQ抢资源。而同一个进程是由一个程序员的程序建立，因此同一进程内的线程是合做关系，一个线程能够访问另一个线程的内存地址，你们都是共享的，一个线程干死了另一个线程的内存，那纯属程序员脑子有问题。

相似于进程，每一个线程也有本身的堆栈，不一样于进程，线程库没法利用时钟中断强制线程让出CPU，能够调用thread_yield运行线程自动放弃cpu，让另一个线程运行。

线程一般是有益的，可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须要一样多的线程

2. 在同一个进程中，若是一个线程关闭了文件，而另一个线程正准备往该文件内写内容呢？

所以，在多线程的代码中，须要更多的心思来设计程序的逻辑、保护程序的数据。