Python之路【第十一篇】: 进程与线程理论篇

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一 背景知识
二 进程
2.1 什么是进程
2.2 进程与程序的区别
2.3 并发与并行
2.4 同步与异步
2.5 进程的创建
2.6 进程的终止
2.7 进程的层次结构
2.8 进程的状态
2.9 进程并发的实现
三 线程
3.1 什么是线程
3.2 为何要用多线程
3.3 多线程的应用举例
3.4 线程与进程的区别
3.5 经典的线程模型
3.6 在用户空间实现的线程
3.7 在内核空间实现的线程
3.8 用户级与内核级线程的对比
3.9 混合实现

一. 背景知识

进程的概念起源于操作系统，是操作系统最核心的概念。

进程是对正在运行程序的一个抽象，操作系统的其他所有内容都是围绕进程的概念展开的。所以想要真正了解进程，必须事先了解操作系统，点击进入

进程是操作系统提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。即使可以利用的cpu只有一个（早期的计算机确实如此），也能保证支持（伪）并发的能力。将一个单独的cpu变成多个虚拟的cpu（多道技术：时间多路复用和空间多路复用+硬件上支持隔离），没有进程的抽象，现代计算机将不复存在。

下文将重点介绍进程以及它的亲戚->线程

二. 进程

2.1 什么是进程？

进程：正在进行的一个过程或者说一个任务。而负责执行任务的则是cpu。

举例：

shuke在一个时间段内有很多任务要做: 吃饭，洗衣服，玩游戏，打篮球，照顾孩子　

但shuke同一时刻只能做一个任务（cpu同一时间只能干一个活），如何才能玩出多个任务并发执行的效果？

shuke玩一会游戏，再去打一会篮球，然后再去吃饭....这就保证了每个任务都在进行中，这就是进程的执行与切换

2.2 进程与程序的区别

程序仅仅只是一堆代码而已，而进程指的是程序的运行过程。

举例：

想象一位有一手好厨艺的计算机科学家shuke正在为他的女儿Lucy烘制生日蛋糕。

他有做生日蛋糕的食谱，

厨房里有所需的原料:面粉、鸡蛋、韭菜，蒜泥等。

在这个比喻中：

    做蛋糕的食谱就是程序(即用适当形式描述的算法)

    计算机科学家就是处理器(cpu)

    而做蛋糕的各种原料就是输入数据。

   进程就是厨师阅读食谱、取来各种原料以及烘制蛋糕等一系列动作的总和。

现在假设计算机科学家shuke的儿子Tome哭着跑了进来，说：XXXXXXXXXXXXXX。

科学家shuke想了想，处理儿子Tome蛰伤的任务比给女儿Lucy做蛋糕的任务更重要，于是,计算机科学家就记录下他照着食谱做到哪儿了(保存进程的当前状态)，然后拿出一本急救手册，按照其中的指示处理蛰伤。这里，我们看到处理机从一个进程(做蛋糕)切换到另一个高优先级的进程(实施医疗救治)，每个进程拥有各自的程序(食谱和急救手册)。当蜜蜂蛰伤处理完之后，这位计算机科学家又回来做蛋糕，从他离开时的那一步继续做下去。

强调：同一个程序执行两次，那也是两个进程，比如打开暴风影音，虽然都是同一个软件，但是一个可以播放海贼王，一个可以播放西游记。

2.3 并发与并行

无论是并行还是并发，在用户看来都是'同时'运行的，不管是进程还是线程，都只是一个任务而已，真是干活的是cpu，cpu来做这些任务，而一个cpu同一时刻只能执行一个任务

　　并行：同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行

并发：是伪并行，即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发，（并行也属于并发）

单CPU,多进程,并发的概念

所有现代计算机经常会在同一时间做很多件事，一个用户的PC（无论是单cpu还是多cpu），都可以同时运行多个任务（一个任务可以理解为一个进程）。

　　　　启动一个进程来杀毒（360软件）

　　　　启动一个进程来看电影（暴风影音）

　　　　启动一个进程来聊天（腾讯QQ）

所有的这些进程都需被管理，于是一个支持多进程的多道程序系统是至关重要的

多道技术：内存中同时存入多道（多个）程序，cpu从一个进程快速切换到另外一个，使每个进程各自运行几十或几百毫秒，这样，虽然在某一个瞬间，一个cpu只能执行一个任务，但在1秒内，cpu却可以运行多个进程，这就给人产生了并行的错觉，即伪并发，以此来区分多处理器操作系统的真正硬件并行（多个cpu共享同一个物理内存）

2.4 同步与异步

同步就是指一个进程在执行某个请求的时候，若该请求需要一段时间才能返回信息，那么这个进程将会一直等待下去，直到收到返回信息才继续执行下去；

异步是指进程不需要一直等下去，而是继续执行下面的操作，不管其他进程的状态。当有消息返回时系统会通知进程进行处理，这样可以提高执行的效率。

举个例子，打电话时就是同步通信，发短息时就是异步通信。

2.5 进程的创建

但凡是硬件，都需要有操作系统去管理，只要有操作系统，就有进程的概念，就需要有创建进程的方式，一些操作系统只为一个应用程序设计，比如微波炉中的控制器，一旦启动微波炉，所有的进程都已经存在。

　　而对于通用系统（运行多个应用程序），需要有系统运行过程中创建或撤销进程的能力，主要分为4中形式创建新的进程

　　1. 系统初始化（查看进程linux中用ps命令，windows中用任务管理器，前台进程负责与用户交互，后台运行的进程与用户无关，运行在后台并且只在需要时才唤醒的进程，称为守护进程，如电子邮件、web页面、新闻、打印）

　　2. 一个进程在运行过程中开启了子进程（如nginx开启多进程，os.fork,subprocess.Popen等）

　　3. 用户的交互式请求，而创建一个新进程（如用户双击暴风影音）

　　4. 一个批处理作业的初始化（只在大型机的批处理系统中应用）

　　无论哪一种，新进程的创建都是由一个已经存在的进程执行了一个用于创建进程的系统调用而创建的：

　　1. 在UNIX中该系统调用是：fork，fork会创建一个与父进程一模一样的副本，二者有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件（在shell解释器进程中，执行一个命令就会创建一个子进程）

　　2. 在windows中该系统调用是：CreateProcess，CreateProcess既处理进程的创建，也负责把正确的程序装入新进程。

　　关于创建的子进程，UNIX和windows

　　1.相同的是：进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程的在其地址空间中的修改都不会影响到另外一个进程。

　　2.不同的是：在UNIX中，子进程的初始地址空间是父进程的一个副本，提示：子进程和父进程是可以有只读的共享内存区的。但是对于windows系统来说，从一开始父进程与子进程的地址空间就是不同的。

2.6 进程的终止

　1. 正常退出（自愿，如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）

2. 出错退出（自愿，python a.py中a.py不存在）

3. 严重错误（非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，可以捕捉异常，try...except...）

　4. 被其他进程杀死（非自愿，如kill -9）

2.7 进程的层次结构

无论UNIX还是windows，进程只有一个父进程，不同的是：

　　1. 在UNIX中所有的进程，都是以init进程为根，组成树形结构。父子进程共同组成一个进程组，这样，当从键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员。

　　2. 在windows中，没有进程层次的概念，所有的进程都是地位相同的，唯一类似于进程层次的暗示，是在创建进程时，父进程得到一个特别的令牌（称为句柄）,该句柄可以用来控制子进程，但是父进程有权把该句柄传给其他子进程，这样就没有层次了。

2.8 进程的状态

tail -f access.log |grep '404'

　　执行程序tail，开启一个子进程，执行程序grep，开启另外一个子进程，两个进程之间基于管道'|'通讯，将tail的结果作为grep的输入。

　　进程grep在等待输入（即I/O）时的状态称为阻塞，此时grep命令都无法运行

　　其实在两种情况下会导致一个进程在逻辑上不能运行，

　　1. 进程挂起是自身原因，遇到I/O阻塞，便要让出CPU让其他进程去执行，这样保证CPU一直在工作

　　2. 与进程无关，是操作系统层面，可能会因为一个进程占用时间过多，或者优先级等原因，而调用其他的进程去使用CPU。

因而一个进程由三种状态

2.9 进程并发的实现

进程并发的实现在于，硬件中断一个正在运行的进程，把此时进程运行的所有状态保存下来，为此，操作系统维护一张表格，即进程表（process table），每个进程占用一个进程表项（这些表项也称为进程控制块）

该表存放了进程状态的重要信息：程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所有打开文件的状态、帐号和调度信息，以及其他在进程由运行态转为就绪态或阻塞态时，必须保存的信息，从而保证该进程在再次启动时，就像从未被中断过一样。

三. 线程

3.1 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。

　　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。

　　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。

例如，北京地铁与上海地铁是不同的进程，而北京地铁里的13号线是一个线程，北京地铁所有的线路共享北京地铁所有的资源，比如所有的乘客可以被所有线路承载。

3.2 为何要有多线程

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. 对于计算/cpu密集型应用，多线程并不能提升性能，但对于I/O密集型应用，使用多线程会明显地提升速度（I/O密集型根本用不上多核优势）

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）

3.3 多线程的应用示例

开启一个文字处理软件进程，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。

3.4 进程与线程的区别

1. Threads share the address space of the process that created it; processes have their own address space.
2. Threads have direct access to the data segment of its process; processes have their own copy of the data segment of the parent process.
3. Threads can directly communicate with other threads of its process; processes must use interprocess communication to communicate with sibling processes.
4. New threads are easily created; new processes require duplication of the parent process.
5. Threads can exercise considerable control over threads of the same process; processes can only exercise control over child processes.
6. 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.

3.5 经典的线程模型

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。

多线程的运行也与多进程的运行类似，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。

3.6 在用户空间实现的线程

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。

3.7 在内核空间实现的线程

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。

3.8 用户级与内核级线程的对比

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：

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。

3.9 混合实现

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

相关链接: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

详细参考: http://kaito-kidd.com/2018/05/11/python-advance-process-thread/