42、並發編程之多執行緒理論篇
一 什麼是執行緒
在傳統作業系統中，每個進程有一個地址空間，而且默認就有一個控制執行緒
執行緒顧名思義，就是一條流水線工作的過程，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進程
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，電源就相當於cpu
所以，進程只是用來把資源集中到一起（進程只是一個資源單位，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，在一個進程中存在多個控制執行緒，多個控制執行緒共享該進程的地址空間，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進程，而北京地鐵里的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 執行緒的創建開銷小
1.創建進程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）
一個車間就是一個進程，一個車間至少一條流水線（一個進程至少一個執行緒）
創建一個進程，就是創建一個車間（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，所以創建開銷小
2.進程之間是競爭關係，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（不同的進程直接是競爭關係，是不同的程式設計師寫的程式運行的，迅雷搶佔其他進程的網速，360把其他進程當做病毒乾死）
一個車間的不同流水線式協同工作的關係（同一個進程的執行緒之間是合作關係，是同一個程式寫的程式內開啟動，迅雷內的執行緒是合作關係，不會自己干自己）
三 執行緒與進程的區別
- 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，在一個進程中開啟多個執行緒，簡單的講：如果多個任務共用一塊地址空間，那麼必須在一個進程內開啟多個執行緒。詳細的講分為4點：
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多執行緒共享一個進程的地址空間
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執行緒比進程更輕量級，執行緒比進程更容易創建可撤銷，在許多作業系統中，創建一個執行緒比創建一個進程要快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
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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運行，從而會加快程式執行的速度。
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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，比開進程開銷要小的多。（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進程，該進程肯定需要辦不止一件事情，比如監聽鍵盤輸入，處理文字，定時自動將文字保存到硬碟，這三個任務操作的都是同一塊數據，因而不能用多進程。只能在一個進程里並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保存，自動保存時又不能輸入和處理文字。
六 經典的執行緒模型
多個執行緒共享同一個進程的地址空間中的資源，是對一台電腦上多個進程的模擬，有時也稱執行緒為輕量級的進程
而對一台電腦上多個進程，則共享物理記憶體、磁碟、印表機等其他物理資源。
多執行緒的運行也多進程的運行類似，是cpu在多個執行緒之間的快速切換。
不同的進程之間是充滿敵意的，彼此是搶佔、競爭cpu的關係，如果迅雷會和QQ搶資源。而同一個進程是由一個程式設計師的程式創建，所以同一進程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。
類似於進程，每個執行緒也有自己的堆棧
不同於進程，執行緒庫無法利用時鐘中斷強制執行緒讓出CPU，可以調用thread_yield運行執行緒自動放棄cpu，讓另外一個執行緒運行。
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.父進程有多個執行緒，那麼開啟的子執行緒是否需要同樣多的執行緒？
如果是，那麼附近某個執行緒被阻塞，那麼copy到子進程後，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用戶連接。
2.在同一個進程中，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文件內寫內容呢？
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編程的典型問題，需要仔細思考和設計。
七 POSIX執行緒
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 在用戶空間實現的執行緒
執行緒的實現可以分為兩類：用戶級執行緒(User-Level Thread)和內核線執行緒(Kernel-Level Thread)，後者又稱為內核支援的執行緒或輕量級進程。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用戶級執行緒，有的系統中實現了內核級執行緒。
用戶級執行緒內核的切換由用戶態程式自己控制內核切換,不需要內核干涉，少了進出內核態的消耗，但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大體是這麼做的。
在用戶空間模擬作業系統對進程的調度，來調用一個進程中的執行緒，每個進程中都會有一個運行時系統，用來調度執行緒。此時當該進程獲取cpu時，進程內再調度出一個執行緒去執行，同一時刻只有一個執行緒執行。
九 在內核空間實現的執行緒
內核級執行緒:切換由內核控制，當執行緒進行切換的時候，由用戶態轉化為內核態。切換完畢要從內核態返回用戶態；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows執行緒就是這樣的。
十 用戶級與內核級執行緒的對比
一： 以下是用戶級執行緒和內核級執行緒的區別：
- 內核支援執行緒是OS內核可感知的，而用戶級執行緒是OS內核不可感知的。
- 用戶級執行緒的創建、撤消和調度不需要OS內核的支援，是在語言（如Java）這一級處理的；而內核支援執行緒的創建、撤消和調度都需OS內核提供支援，而且與進程的創建、撤消和調度大體是相同的。
- 用戶級執行緒執行系統調用指令時將導致其所屬進程被中斷，而內核支援執行緒執行系統調用指令時，只導致該執行緒被中斷。
- 在只有用戶級執行緒的系統內，CPU調度還是以進程為單位，處於運行狀態的進程中的多個執行緒，由用戶程式控制執行緒的輪換運行；在有內核支援執行緒的系統內，CPU調度則以執行緒為單位，由OS的執行緒調度程式負責執行緒的調度。
- 用戶級執行緒的程式實體是運行在用戶態下的程式，而內核支援執行緒的程式實體則是可以運行在任何狀態下的程式。
二： 內核執行緒的優缺點
優點：
- 當有多個處理機時，一個進程的多個執行緒可以同時執行。
缺點：
- 由內核進行調度。
三： 用戶進程的優缺點
優點：
- 執行緒的調度不需要內核直接參与，控制簡單。
- 可以在不支援執行緒的作業系統中實現。
- 創建和銷毀執行緒、執行緒切換代價等執行緒管理的代價比內核執行緒少得多。
- 允許每個進程訂製自己的調度演算法，執行緒管理比較靈活。
- 執行緒能夠利用的表空間和堆棧空間比內核級執行緒多。
- 同一進程中只能同時有一個執行緒在運行，如果有一個執行緒使用了系統調用而阻塞，那麼整個進程都會被掛起。另外，頁面失效也會產生同樣的問題。
缺點：
- 資源調度按照進程進行，多個處理機下，同一個進程中的執行緒只能在同一個處理機下分時復用
十一 混合實現
用戶級與內核級的多路復用，內核同一調度內核執行緒，每個內核執行緒對應n個用戶執行緒
