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內(nèi)容簡述：

線程與進(jìn)程的相關(guān)概念

• 1、程序，進(jìn)程困介，線程大审，多進(jìn)程，多線程
• 2座哩、線程的生命周期
• 3徒扶、并行與并發(fā)，同步與異步
• 4根穷、線程同步安全
• 5姜骡、與鎖有關(guān)的特殊情況：死鎖，饑餓與活鎖
• 6屿良、守護(hù)線程
• 7圈澈、線程并發(fā)的經(jīng)典問題：生產(chǎn)中與消費(fèi)者問題
• 8、Python中的GIL鎖
• 9尘惧、Python中對多線程與多進(jìn)程的支持

線程與進(jìn)程的相關(guān)概念

關(guān)于線程和進(jìn)程的話題康栈，大部分的書只是微微提下，讀者學(xué)完云里霧里喷橙，不知所以啥么。本章會對Python中的多線程和多進(jìn)程進(jìn)行詳解。大部分都是概念性的東西贰逾，不要去死記硬背悬荣，學(xué)完了解有個大概印象就好。

1疙剑、程序氯迂，進(jìn)程，線程言缤，多進(jìn)程嚼蚀，多線程

關(guān)于程序，進(jìn)程和線程的一些名詞概念如圖所示：
[圖片上傳失敗...(image-85ba8e-1555409468002)]
有句非常經(jīng)典的話：“進(jìn)程是資源分配的最小單位轧简，線程則是CPU調(diào)度的最小單位”驰坊。

先說說「多進(jìn)程」：從普通用戶的視角：

如果你的電腦是Windows的話，Ctrl+Alt+Del打開任務(wù)管理器哮独，可以看到電腦運(yùn)行著很多的進(jìn)程拳芙，比如QQ，微信皮璧，網(wǎng)易云音樂等舟扎。這就是多進(jìn)程，每個進(jìn)程各司其職完成對應(yīng)的功能悴务，互不干擾睹限，你聊天的時候音樂照常播放譬猫。

再說說開發(fā)仔的視角：

多進(jìn)程的概念更傾向于：多個進(jìn)程協(xié)同地區(qū)完成同一項(xiàng)工作。

問題：為什么要在應(yīng)用里使用多進(jìn)程羡疗？

筆者觀點(diǎn)：擺脫系統(tǒng)的一些限制和為自己的應(yīng)用獲取更多的資源染服，舉個例子：
在Android系統(tǒng)中會為每個應(yīng)用(進(jìn)程)限制最大內(nèi)容，單個進(jìn)程超過這個閾值會引起OOM叨恨，而使用多進(jìn)程技術(shù)可以規(guī)避這個內(nèi)存溢出的問題柳刮。再舉個例子：Python在實(shí)現(xiàn)Python解析器(CPython)時引入了GIL鎖，使得任何時候僅有
一個線程在執(zhí)行痒钝，多線程的效率可能還比不上單線程秉颗，使用多進(jìn)程技術(shù)可以
規(guī)避這個限制。

再說說「多線程」送矩，首先為什么會引入線程的概念呢蚕甥？舉個例子：

你有一個文本程序，三個功能組成部分：接收用戶的輸入栋荸，顯示到屏幕上菇怀，保存到硬盤里，如果由三個進(jìn)程組成：輸入接收進(jìn)程A蒸其，顯示內(nèi)容進(jìn)程B敏释，寫入硬盤進(jìn)程C，而他們之間共同需要擁有的東西——文本內(nèi)容摸袁，而進(jìn)程A，B义屏，C運(yùn)行在不同的內(nèi)存空間靠汁，這就涉及到進(jìn)程通信問題了，而頻繁
的進(jìn)程切換勢必導(dǎo)致性能上的損失闽铐。有沒有一種機(jī)制使得做這三個任務(wù)時共享資源呢蝶怔？這個時候線程(輕量級的進(jìn)程)就派上用場了，多個線程共享進(jìn)程數(shù)據(jù)兄墅。相信讀者看到這里踢星，對于多進(jìn)程和多線程
的概念應(yīng)該有個初步的了解了，接下來簡單比較下兩者的優(yōu)劣和使用場景：

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2隙咸、線程的生命周期

線程的生命周期如圖所示：

[圖片上傳失敗...(image-bc721e-1555409468002)]

各個狀態(tài)說明：

• New(新建)沐悦，新創(chuàng)建的線程進(jìn)過初始化，進(jìn)入Runnable(就緒)狀態(tài)五督。
• Runnable(就緒)藏否，等待線程調(diào)度，調(diào)度后進(jìn)入Running(運(yùn)行)狀態(tài)充包。
• Running(運(yùn)行)副签，線程正常運(yùn)行，期間可能會因?yàn)槟承┣闆r進(jìn)入Blocked
  (同步鎖；調(diào)用了sleep()和join()方法進(jìn)入Sleeping狀態(tài)淆储；執(zhí)行wait()方法進(jìn)入
  Waiting狀態(tài)冠场，等待其他線程notify通知喚醒)。
• Blocked(堵塞)本砰，線程暫停運(yùn)行慈鸠，解除堵塞后進(jìn)入Runnable(就緒)狀態(tài)重新等待調(diào)度。
• Dead(死亡)：線程完成了它的任務(wù)正常結(jié)束或因異常導(dǎo)致終止灌具。

3青团、并行與并發(fā)，同步與異步

并行與并發(fā)的區(qū)別：

并行是同時處理多個任務(wù)咖楣，而并發(fā)則是處理多個任務(wù)督笆，而不一定要同時医增，并行可以說是并發(fā)的子集天通。

同步與異步的區(qū)別：

• 同步：線程執(zhí)行某個請求，如果該請求需要一段時間才能返回信息黍衙，那么這個線程
  會一直等待珠十，直到收到返回信息才能繼續(xù)執(zhí)行下去料扰。
• 異步：線程執(zhí)行完某個請求，不需要一直等焙蹭，直接繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作晒杈，當(dāng)有消息
  返回時系統(tǒng)會通知線程進(jìn)程處理，這樣可以提高執(zhí)行的效率孔厉；異步在網(wǎng)絡(luò)請求
  的應(yīng)用非常常見拯钻。

4、線程同步安全

什么是線程同步安全問題撰豺？

當(dāng)有兩個或以上線程在同一時刻訪問同一資源粪般，可能會帶來一些問題。
比如：數(shù)據(jù)庫表不允許插入重復(fù)數(shù)據(jù)污桦，而線程1,2都得到了數(shù)據(jù)X亩歹，然后線程1,2同時查詢了數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)X凡橱，接著兩線程都往數(shù)據(jù)庫中插入了X小作，然后就出現(xiàn)異常了，這就是線程的同步安全問題梭纹，而這里的數(shù)據(jù)庫資源我們又稱為：臨界資源(共享資源)躲惰。

如何解決同步安全問題(同步鎖)？

當(dāng)多個線程訪問臨界資源的時候变抽，有可能會出現(xiàn)線程安全問題础拨；而基本所有并發(fā)模式在解決線程安全問題時都采用"系列化訪問臨界資源"的方式氮块，就是同一時刻，只能有一個線程訪問臨界資源诡宗，也稱"同步互斥訪問"滔蝉。通常的操作就是加鎖(同步鎖)，當(dāng)有線程訪問臨界資源時需要獲得這個鎖塔沃，其他線程無法訪問蝠引，只能等待(堵塞)，等這個線程使用完釋放鎖蛀柴，供其他線程繼續(xù)訪問螃概。

5、與鎖有關(guān)的特殊情況：死鎖鸽疾，饑餓與活鎖

有了同步鎖并不意味著就一了百了了吊洼，當(dāng)多個進(jìn)程/線程的操作涉及到了多個鎖，
就可能出現(xiàn)下述三種情況：

• 死鎖(DeadLock)

兩個或以上進(jìn)程(線程)在執(zhí)行過程中制肮，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象冒窍，如果無外力作用，他們將繼續(xù)這樣僵持下去豺鼻。舉個形象化的例子：

開一個門需要兩條鑰匙综液，而兩個人手上各持有一條，然后都不愿意把自己的鑰匙給對方儒飒，就一直那樣僵持著谬莹，這種狀態(tài)就叫死鎖。

死鎖發(fā)生的條件：

• 互斥條件(臨界資源)约素；
• 請求和保持條件(請求資源但不釋放自己暫用的資源)届良；
• 不剝奪條件(線程獲得的資源只有線程使用完后自己釋放，不能被其他線程剝奪)圣猎；
• 環(huán)路等待條件：在死鎖發(fā)生時，必然存在一個“進(jìn)程-資源環(huán)形鏈”乞而，t1等t2送悔，t2等t1；

如何避免死鎖：

破壞四個條件中的一個或多個條件爪模，常見的預(yù)防方法有如下兩種：

① 有序資源分配法：資源按某種規(guī)則統(tǒng)一編號欠啤，申請時必須按照升序申請： 屬于同一類的資源要一次申請完，申請不同類資源按照一定的順序申請屋灌。

② 銀行家算法：就是檢查申請者對資源的最大需求量洁段，如果當(dāng)前各類資源都可以滿足的 申請者的請求，就滿足申請者的請求共郭，這樣申請者就可很快完成其計(jì)算祠丝，然后釋放它占用 的資源疾呻，從而保證了系統(tǒng)中的所有進(jìn)程都能完成，所以可避免死鎖的發(fā)生写半。 理論上能夠非常有效的避免死鎖岸蜗，但從某種意義上說，缺乏使用價值叠蝇，因?yàn)楹苌儆羞M(jìn)程能夠知道所需資源的最大值璃岳，而且進(jìn)程數(shù)目也不是固定的，往往是不斷變化的悔捶， 況且原本可用的資源也可能突然間變得不可用(比如打印機(jī)損壞)铃慷。

• 2.饑餓(starvation)與餓死(starve to death)

資源分配策略有可能是不公平的，即不能保證等待時間上界的存在蜕该，即使沒有發(fā)生死鎖犁柜， 某些進(jìn)程可能因長時間的等待，對進(jìn)程推進(jìn)與相應(yīng)帶來明顯影響蛇损，此時的進(jìn)程就是 發(fā)生了進(jìn)程饑餓(starvation)赁温，當(dāng)饑餓達(dá)到一定程度即使此時進(jìn)程即使完成了任務(wù)也沒有實(shí)際意義時，此時稱該進(jìn)程被餓死(starve to death)淤齐，舉個典型的例子：文件打印采用短文件優(yōu)先策略股囊，如果短文件太多，長文件會一直推遲更啄，那還打印個毛稚疹。

• 3.活鎖(LiveLock)

特殊的饑餓，一系列進(jìn)程輪詢等待某個不可能為真的條件為真祭务，此時進(jìn)程不會進(jìn)入blocked狀態(tài)内狗，但會占用CPU資源，活鎖還有幾率能自己解開义锥，而死鎖則無法自己解開柳沙。(例子：都覺得對方優(yōu)先級比自己高，相互謙讓拌倍，導(dǎo)致無法使用某資源)赂鲤，簡單避免活鎖的方法：先來先服務(wù)策略。

6柱恤、守護(hù)線程

又稱「后臺線程」数初，是一種為其他線程提供服務(wù)的線程，比如一個簡單的例子：你有兩個線程在協(xié)同的做一件事梗顺，如果有一個線程死掉泡孩，事情就無法繼續(xù)下去，此時可以引入守護(hù)線程寺谤，輪詢地去判斷兩個線程是否活著(調(diào)isAlive())仑鸥，如果死掉就start開啟線程吮播，在Python中可以在線程初始化的時候調(diào)用setDaemon(True)把線程設(shè)置為守護(hù)線程，另外如果程序中只剩下守護(hù)線程的話程序會自動退出锈候。

7薄料、線程并發(fā)的經(jīng)典問題：生產(chǎn)中與消費(fèi)者問題

說到線程并發(fā)，不得不說的一個經(jīng)典問題就是：生產(chǎn)中與消費(fèi)者問題：

兩個共享固定緩沖區(qū)大小的線程泵琳，生產(chǎn)者線程負(fù)責(zé)生產(chǎn)一定量的數(shù)據(jù) 放入緩沖區(qū)摄职， 而消費(fèi)者線程則負(fù)責(zé)消耗緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵問題是需要保證兩點(diǎn)：

• 緩沖區(qū)滿的時候获列，生產(chǎn)者不再往緩沖區(qū)中填充數(shù)據(jù)谷市。
• 緩存區(qū)空的時候，消費(fèi)者不在消耗緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)击孩。

8迫悠、Python中的GIL鎖

上面講到Python在實(shí)現(xiàn)Python解析器(CPython)時引入了GIL鎖，使得「任何時候僅有 一個線程在執(zhí)行」巩梢，Python多線程的效率可能還比不上單線程创泄，那么這個GIL鎖是什么？

概念：全局解釋器鎖括蝠，用于同步線程的一種機(jī)制鞠抑，使得任何時候僅有一個線程在執(zhí)行。GIL 并不是Python的特性忌警，只是在實(shí)現(xiàn)Python解析器(CPython)時引入的一個概念搁拙。換句話說，Python完全可以不依賴于GIL法绵。Python解釋器進(jìn)程內(nèi)的多線程是以協(xié)作多任務(wù)方式執(zhí)行的箕速，當(dāng)一個線程遇到I/O操作時會釋放GIL,而依賴CPU計(jì)算的線程則是執(zhí)行代碼量到一定的閥值，才會釋放GIL朋譬。

而在Python 3.2開始使用新的GIL盐茎，使用固定的超時時間來指示當(dāng)前線程放棄全局鎖，就是：「當(dāng)前線程持有這個鎖徙赢，且其他線程請求這個鎖時庭呜，當(dāng)前線程就會在5毫秒后被強(qiáng)制釋放掉該鎖∠溃」多線程在處理CPU密集型操作因?yàn)楦鞣N循環(huán)處理計(jì)數(shù)等，會很快達(dá)到閥值扶关，而**多個線程來回切換是會消耗資源的阴汇，所以多線程的效率往往可能還比不上單線程！

而在多核CPU上效率會更低节槐，因?yàn)槎嗪谁h(huán)境下搀庶，持有鎖的CPU釋放鎖后拐纱，其他CPU上的線程都會進(jìn)行競爭，但GIL可能馬上又會被之前的CPU拿到拿到哥倔，導(dǎo)致其他幾個CPU上被喚醒后的線程會醒著等待到切換時間后又進(jìn)入待調(diào)度狀態(tài)秸架，從而造成 線程顛簸(thrashing)，導(dǎo)致效率更低咆蒿。

問題：因?yàn)镚IL鎖的原因东抹，對于CPU密集型操作，Python多線程就是雞肋了沃测？

答：是的缭黔！盡管多線程開銷小，但卻無法利用多核優(yōu)勢蒂破！可以使用多進(jìn)程來規(guī)避這個問題馏谨，Python提供了multiprocessing這個跨平臺的模塊來幫助我們實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程代碼的編寫。每個進(jìn)程都有自己獨(dú)立的GIL附迷，因此不會出現(xiàn)進(jìn)程間GIL鎖搶奪的問題惧互，但是也增加程序?qū)崿F(xiàn)線程間數(shù)據(jù)通訊和同步時的成本，這個需要自行進(jìn)行權(quán)衡喇伯。

9喊儡、Python中對多線程與多進(jìn)程的支持

Python與線程，進(jìn)程相關(guān)的官方文檔鏈接：docs.python.org/3/library/c…

簡單說下這些模塊都是干嘛的：

• threading—— 提供線程相關(guān)的操作艘刚。
• multiprocessing—— 提供進(jìn)程程相關(guān)的操作管宵。
• concurrent.futures—— 異步并發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)多線程和多進(jìn)程的異步并發(fā)(3.2后引入)攀甚。
• subprocess—— 創(chuàng)建子進(jìn)程箩朴，并提供鏈接到他們輸入/輸出/錯誤管道的方法，并獲得他們的返回碼秋度，該模塊旨在替換幾個較舊的模塊和功能：os.system與os.spawn*炸庞。
• sched——任務(wù)調(diào)度(延時處理機(jī)制)。
• queue——提供同步的荚斯、線程安全的隊(duì)列類埠居。

還有幾個是兼容模塊，比如Python 2.x上用threading和Python 3.x上用thread：

• dummy_threading：提供和threading模塊相同的接口事期，2.x使用threading兼容滥壕。
• _thread：threading模塊的基礎(chǔ)模塊，應(yīng)該盡量使用 threading 模塊替代兽泣。
• dummy_thread：提供和thread模塊相同的接口绎橘，3.x使用threading兼容。