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python基础(33):线程(一)

程序员文章站 2022-05-09 15:01:25
1. 线程概念的引入背景 1.1 进程 之前我们已经了解了操作系统中进程的概念,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 ......

1. 线程概念的引入背景

1.1 进程

之前我们已经了解了操作系统中进程的概念,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,我们允许多个程序同时加载到内存中,在操作系统的调度下,可以实现并发地执行。这是这样的设计,大大提高了cpu的利用率。进程的出现让每个用户感觉到自己独享cpu,因此,进程就是为了在cpu上实现多道编程而提出的。

1.2 为什么要有线程

进程有很多优点,它提供了多道编程,让我们感觉我们每个人都拥有自己的cpu和其他资源,可以提高计算机的利用率。很多人就不理解了,既然进程这么优秀,为什么还要线程呢?其实,仔细观察就会发现进程还是有很多缺陷的,主要体现在两点上:

进程只能在一个时间干一件事,如果想同时干两件事或多件事,进程就无能为力了。

进程在执行的过程中如果阻塞,例如等待输入,整个进程就会挂起,即使进程中有些工作不依赖于输入的数据,也将无法执行。

如果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:如果把我们上课的过程看成一个进程的话,那么我们要做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。而如果只提供进程这个机制的话,上面这三件事将不能同时执行,同一时间只能做一件事,听的时候就不能记笔记,也不能用脑子思考,这是其一;如果老师在黑板上写演算过程,我们开始记笔记,而老师突然有一步推不下去了,阻塞住了,他在那边思考着,而我们呢,也不能干其他事,即使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。

现在你应该明白了进程的缺陷了,而解决的办法很简单,我们完全可以让听、写、思三个独立的过程,并行起来,这样很明显可以提高听课的效率。而实际的操作系统中,也同样引入了这种类似的机制——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,进程出现了很多弊端,一是由于进程是资源拥有者,创建、撤消与切换存在较大的时空开销,因此需要引入轻型进程;二是由于对称多处理机(smp)出现,可以满足多个运行单位,而多个进程并行开销过大。
因此在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.
      每一个进程中至少有一个线程。

2. 进程和线程的关系

python基础(33):线程(一)

 

 

线程与进程的区别可以归纳为以下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。
通信:进程间通信ipc,线程间可以直接读写进程数据段(如全局变量)来进行通信——需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。
在多线程操作系统中,进程不是一个可执行的实体。

3. 线程的特点

在多线程的操作系统中,通常是在一个进程中包括多个线程,每个线程都是作为利用cpu的基本单位,是花费最小开销的实体。线程具有以下属性。

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包括以下信息:

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,因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”,故线程的切换非常迅速且开销小(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,都可以共享该进程所拥有的资源,这首先表现在:所有线程都具有相同的进程id,这意味着,线程可以访问该进程的每一个内存资源;此外,还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件,所以线程之间互相通信不必调用内核。

3.4 可并发执行

在一个进程中的多个线程之间,可以并发执行,甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行;同样,不同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作的能力。

4. 使用线程的实际场景

python基础(33):线程(一)

 

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。

5. 内存中的线程

python基础(33):线程(一)

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

2. 在同一个进程中,如果一个线程关闭了文件,而另外一个线程正准备往该文件内写内容呢?

因此,在多线程的代码中,需要更多的心思来设计程序的逻辑、保护程序的数据。