线程理论篇

那我们昨天介绍完了进程的理论以及进程的实际操作.那么今天我们就将一下与其息息相关的线程

线程

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

车间负责把资源整合到一起,是一个资源单位,而一个车间内至少有一个流线.

流水线的工作需要电源, 电源就相当于cpu

所以,进程只是用来将资源集中到一起(进程只是一个资源单位,或者说资源的集合), 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。

线程的创建开销小

创建进程的开销要远大于线程？

如果我们的软件是一个工厂，该工厂有多条流水线，流水线工作需要电源，电源只有一个即cpu（单核cpu）

一个车间就是一个进程，一个车间至少一条流水线（一个进程至少一个线程）

创建一个进程，就是创建一个车间（申请空间，在该空间内建至少一条流水线）

而建线程，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

线程与进程的区别

线程共享创建它的进程的地址空间；进程有自己的地址空间。

线程可以直接访问其进程的数据段；进程有自己的父进程数据段副本。

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来与同级进程通信。

新线程很容易创建；新进程需要复制父进程。

线程可以对同一进程的线程执行相当大的控制；进程只能对子进程执行控制。

对主线程的更改（取消、优先级更改等）可能会影响进程的其他线程的行为；对父进程的更改不会影响子进程。

为何要用多线程

多线程指的是在一个进程中开启多个线程,简单的讲: 如果多个任务公用一块内存空间,那么必须在一个进程内开启多个线程.

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）

多线程的应用举例

假如我们现在开启了一个pycharm编辑器,那么我们在操作文件的编写的时候,是多进程还是多线程??

其实我们对文件进行编辑是发生了至少俩件事的,一件事是我们写的过程,还有一件事是文件给我们从一个地方拿出来现实到我们编译的文件的位置,硬盘没有修改的说法,做的是都是覆盖的,

当是多进程的时候:

• 那么这个文件的数据应该是读这个进程和写这个进程,俩个进程是相互独立的,那要是这样的话,我进行编辑的时候,应该就看不到数据,看数据的时候就编辑不了数据.而且因为进程之间的地址空间是相互隔离的,所以我们要想实现编写边看的操作害得借助一个通信介质,管道或者队列.

所以这个时候我们可以是一个多线程的

• 因为多线程是在一个地址空间内的,它要将这个数据边写边看的操作就不需要通过第三者来实现,数据共享.

经典的线程模型（了解）

　　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

　　　如果是，那么附近中某个线程被阻塞，那么copy到子进程后，copy版的线程也要被阻塞吗，想一想nginx的多线程模式接收用户连接。

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

​ 如果一个线程注意到没有内存了，并开始分配更多的内存，在工作一半时，发生线程切换，新的线程也发现内存不够用了，又开始分配更多的内存，这样内存就被分配了多次，这些问题都是多线程编程的典型问题，需要仔细思考和设计。

POSIX线程（了解）

为了实现可移植的线程程序,IEEE在IEEE标准1003.1c中定义了线程标准，它定义的线程包叫Pthread。大部分UNIX系统都支持该标准，简单介绍如下

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。

　在用户空间模拟操作系统对进程的调度，来调用一个进程中的线程，每个进程中都会有一个运行时系统，用来调度线程。此时当该进程获取cpu时，进程内再调度出一个线程去执行，同一时刻只有一个线程执行。

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。

用户级与内核级线程的对比（了解）

一： 以下是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。

二： 内核线程的优缺点

　　优点：

1. 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：

1. 由内核进行调度。

三： 用户进程的*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：

1. 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

混合实现（了解）

　　用户级与内核级的多路复用，内核同一调度内核线程，每个内核线程对应n个用户线程