35、python併發程式設計之多執行緒（理論篇）
- 一 什麼是執行緒
- 二 執行緒的建立開銷小
- 三 執行緒與程序的區別
- 四 為何要用多執行緒
- 五 多執行緒的應用舉例
- 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）
- 九 在核心空間實現的執行緒（瞭解）
- 十 使用者級與核心級執行緒的對比（瞭解）
- 十一 混合實現（瞭解）
- 十二 執行緒小故事
一 什麼是執行緒
在傳統作業系統中，每個程序有一個地址空間，而且預設就有一個控制執行緒
執行緒顧名思義，就是一條流水工作的過程，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序
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，電腦就相當於cpu
所以，程序只是用來把資源集中到一起（程序只是一個資源單位，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：在一個程序中存在多個控制執行緒，多個控制執行緒共享該程序的地址空間，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序，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
建立程序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序，一個車間至少一條流水線（一個程序至少一個執行緒）
建立一個程序，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
程序之間是競爭關係，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（不同的程序直接是競爭關係，是不同的程式設計師寫的程式執行的，迅雷搶佔其他程序的網速，360把其他程序當作病毒乾死）一個車間的不同流水線式協同工作的關係（同一個程序的執行緒之間是合作關係，是同一個程式設計師寫的程式內開啟，迅雷內的執行緒是合作關係，不會自己幹自己）
三 執行緒與程序的區別
- Threads share the address space of the process that created it; processes have their own address space.
- Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data segment of the parent process.
- Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
- New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
- Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
- 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.
四 為何要用多執行緒
多執行緒指的是，在一個程序中開啟多個執行緒，簡單地將：如果多個任務共用一塊地址空間，那麼必須在一個程序內開啟多個執行緒。具體來講分為四點：
\1. 多執行緒共享一個程序的地址空間
\2. 執行緒比程序更輕量級，執行緒比程序更容易建立可撤銷，在許多作業系統中，建立一個執行緒比建立一個程序要快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，那麼並不能獲得性能上的增強，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，比開程序開銷要小的多。（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序，該程序肯定需要辦不止一件事情，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，因而不能用多程序。只能在一個程序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）
多個執行緒共享同一個程序的地址空間中的資源，是對一臺計算機上多個程序的模擬，有時也稱執行緒為輕量級的程序
而對一臺計算機上多個程序，則共享實體記憶體、磁碟、印表機等其他物理資源。
多執行緒的執行也多程序的執行類似，是cpu在多個執行緒之間的快速切換。
不同的程序之間是充滿敵意的，彼此是搶佔、競爭cpu的關係，如果迅雷會和QQ搶資源。而同一個程序是由一個程式設計師的程式建立，所以同一程序內的執行緒是合作關係，一個執行緒可以訪問另外一個執行緒的記憶體地址，大家都是共享的，一個執行緒乾死了另外一個執行緒的記憶體，那純屬程式設計師腦子有問題。
類似於程序，每個執行緒也有自己的堆疊
不同於程序，執行緒庫無法利用時鐘中斷強制執行緒讓出CPU，可以呼叫thread_yield執行執行緒自動放棄cpu，讓另外一個執行緒執行。
執行緒通常是有益的，但是帶來了不小程式設計難度，執行緒的問題是：
\1. 父程序有多個執行緒，那麼開啟的子執行緒是否需要同樣多的執行緒
如果是，那麼附近中某個執行緒被阻塞，那麼copy到子程序後，copy版的執行緒也要被阻塞嗎，想一想nginx的多執行緒模式接收使用者連線。
\2. 在同一個程序中，如果一個執行緒關閉了問題，而另外一個執行緒正準備往該檔案內寫內容呢？
如果一個執行緒注意到沒有記憶體了，並開始分配更多的記憶體，在工作一半時，發生執行緒切換，新的執行緒也發現記憶體不夠用了，又開始分配更多的記憶體，這樣記憶體就被分配了多次，這些問題都是多執行緒程式設計的典型問題，需要仔細思考和設計。
七 POSIX執行緒（瞭解）
為了實現可移植的執行緒程式,IEEE在IEEE標準1003.1c中定義了執行緒標準，它定義的執行緒包叫Pthread。大部分UNIX系統都支援該標準，簡單介紹如下
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)和核心線執行緒(Kernel-Level Thread)，後者又稱為核心支援的執行緒或輕量級程序。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。
在使用者空間模擬作業系統對程序的排程，來呼叫一個程序中的執行緒，每個程序中都會有一個執行時系統，用來排程執行緒。此時當該程序獲取cpu時，程序內再排程出一個執行緒去執行，同一時刻只有一個執行緒執行。
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；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）
一： 以下是使用者級執行緒和核心級執行緒的區別：
- 核心支援執行緒是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（如Java）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，而且與程序的建立、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序被中斷，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排程還是以程序為單位，處於執行狀態的程序中的多個執行緒，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。
二： 核心執行緒的優缺點
優點：
- 當有多個處理機時，一個程序的多個執行緒可以同時執行。
缺點：
- 由核心進行排程。
三： 使用者程序的*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。
- 允許每個程序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。
- 同一程序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，那麼整個程序都會被掛起。另外，頁面失效也會產生同樣的問題。
缺點：
- 資源排程按照程序進行，多個處理機下，同一個程序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