Python多線程是什么

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幾乎所有的操作系統(tǒng)都支持同時運行多個任務(wù)，一個任務(wù)通常就是一個程序，每一個運行中的程序就是一個進(jìn)程。當(dāng)一個程序運行時，內(nèi)部可能包含多個順序執(zhí)行流，每一個順序執(zhí)行流就是一個線程。

線程和進(jìn)程

幾乎所有的操作系統(tǒng)都支持進(jìn)程的概念，所有運行中的任務(wù)通常對應(yīng)一個進(jìn)程（Process）。當(dāng)一個程序進(jìn)入內(nèi)存運行時，即變成一個進(jìn)程。進(jìn)程是處于運行過程中的程序，并且具有一定的獨立功能。進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。

一般而言，進(jìn)程包含如下三個特征：

獨立性：進(jìn)程是系統(tǒng)中獨立存在的實體，它可以擁有自己的獨立的資源，每一個進(jìn)程都擁有自己的私有的地址空間。在沒有經(jīng)過進(jìn)程本身允許的情況下，一個用戶進(jìn)程不可以直接訪問其他進(jìn)程的地址空間。

動態(tài)性：進(jìn)程與程序的區(qū)別在于，程序只是一個靜態(tài)的指令集合，而進(jìn)程是一個正在系統(tǒng)中活動的指令集合。在進(jìn)程中加入了時間的概念。進(jìn)程具有自己的生命周期和各種不同的狀態(tài)，在程序中是沒有這些概念的。

并發(fā)性：多個進(jìn)程可以在單個處理器上并發(fā)執(zhí)行，多個進(jìn)程之間不會互相影響。

并發(fā)（Concurrency）和并行（Parallel）是兩個概念，并行指在同一時刻有多條指令在多個處理器上同時執(zhí)行；并發(fā)才旨在同一時刻只能有一條指令執(zhí)行，但多個進(jìn)程指令被快速輪換執(zhí)行，使得在宏觀上具有多個進(jìn)程同時執(zhí)行的效果。

大部分操作系統(tǒng)都支持多進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)幾乎都支持同時執(zhí)行多個任務(wù)。例如，程序員一邊開著開發(fā)工具在寫程序，一邊開著參考手冊備查，同時還使用電腦播放音樂……除此之外，每臺電腦運行時還有大量底層的支撐性程序在運行……這些進(jìn)程看上去像是在同時工作。

但事實的真相是，對于一個 CPU 而言，在某個時間點它只能執(zhí)行一個程序。也就是說，只能運行一個進(jìn)程，CPU 不斷地在這些進(jìn)程之間輪換執(zhí)行。那么，為什么用戶感覺不到任何中斷呢？

這是因為相對人的感覺來說，CPU 的執(zhí)行速度太快了（如果啟動的程序足夠多，則用戶依然可以感覺到程序的運行速度下降了）。所以，雖然 CPU 在多個進(jìn)程之間輪換執(zhí)行，但用戶感覺到好像有多個進(jìn)程在同時執(zhí)行。

現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都支持多進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，但在具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)上可能因為硬件和操作系統(tǒng)的不同而采用不同的策略。比較常用的策略有：

共用式的多任務(wù)操作策略，例如 Windows 3.1 和 Mac OS 9 操作系統(tǒng)采用這種策略；

搶占式的多任務(wù)操作策略，其效率更高，目前操作系統(tǒng)大多采用這種策略，例如 Windows NT、Windows 2000 以及 UNIX/Linux 等操作系統(tǒng)。

多線程則擴(kuò)展了多進(jìn)程的概念，使得同一個進(jìn)程可以同時并發(fā)處理多個任務(wù)。線程（Thread）也被稱作輕量級進(jìn)程（Lightweight Process），線程是進(jìn)程的執(zhí)行單元。就像進(jìn)程在操作系統(tǒng)中的地位一樣，線程在程序中是獨立的、并發(fā)的執(zhí)行流。

當(dāng)進(jìn)程被初始化后，主線程就被創(chuàng)建了。對于絕大多數(shù)的應(yīng)用程序來說，通常僅要求有一個主線程，但也可以在進(jìn)程內(nèi)創(chuàng)建多個順序執(zhí)行流，這些順序執(zhí)行流就是線程，每一個線程都是獨立的。

線程是進(jìn)程的組成部分，一個進(jìn)程可以擁有多個線程，一個線程必須有一個父進(jìn)程。線程可以擁有自己的堆棧、自己的程序計數(shù)器和自己的局部變量，但不擁有系統(tǒng)資源，它與父進(jìn)程的其他線程共享該進(jìn)程所擁有的全部資源。因為多個線程共享父進(jìn)程里的全部資源，因此編程更加方便；但必須更加小心，因為需要確保線程不會妨礙同一進(jìn)程中的其他線程。

線程可以完成一定的任務(wù)，可以與其他線程共享父進(jìn)程中的共享變量及部分環(huán)境，相互之間協(xié)同未完成進(jìn)程所要完成的任務(wù)。

線程是獨立運行的，它并不知道進(jìn)程中是否還有其他線程存在。線程的運行是搶占式的，也就是說，當(dāng)前運行的線程在任何時候都可能被掛起，以便另外一個線程可以運行。

一個線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個線程，同一個進(jìn)程中的多個線程之間可以并發(fā)運行。

從邏輯的角度來看，多線程存在于一個應(yīng)用程序中，讓一個應(yīng)用程序可以有多個執(zhí)行部分同時執(zhí)行，但操作系統(tǒng)無須將多個線程看作多個獨立的應(yīng)用，對多線程實現(xiàn)調(diào)度和管理，以及資源分配。線程的調(diào)度和管理由進(jìn)程本身負(fù)責(zé)完成。

簡而言之，一個程序運行后至少有一個進(jìn)程，在一個進(jìn)程中可以包含多個線程，但至少要包含一個主線程。

歸納起來可以這樣說，操作系統(tǒng)可以同時執(zhí)行多個任務(wù)，每一個任務(wù)就是一個進(jìn)程，進(jìn)程可以同時執(zhí)行多個任務(wù)，每一個任務(wù)就是一個線程。

多線程的好處

線程在程序中是獨立的、并發(fā)的執(zhí)行流。與分隔的進(jìn)程相比，進(jìn)程中線程之間的隔離程度要小，它們共享內(nèi)存、文件句柄和其他進(jìn)程應(yīng)有的狀態(tài)

因為線程的劃分尺度小于進(jìn)程，使得多線程程序的并發(fā)性高。進(jìn)程在執(zhí)行過程中擁有獨立的內(nèi)存單元，而多個線程共享內(nèi)存，從而極大地提高了程序的運行效率。

線程比進(jìn)程具有更高的性能，這是由于同一個進(jìn)程中的線程都有共性多個線程共享同一個進(jìn)程的虛擬空間。線程共享的環(huán)境包括進(jìn)程代碼段、進(jìn)程的公有數(shù)據(jù)等，利用這些共享的數(shù)據(jù)，線程之間很容易實現(xiàn)通信。

操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程時，必須為該進(jìn)程分配獨立的內(nèi)存空間，并分配大量的相關(guān)資源，但創(chuàng)建線程則簡單得多。因此，使用多線程來實現(xiàn)并發(fā)比使用多進(jìn)程的性能要高得多。

總結(jié)起來，使用多線程編程具有如下幾個優(yōu)點：

進(jìn)程之間不能共享內(nèi)存，但線程之間共享內(nèi)存非常容易。

操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程時，需要為該進(jìn)程重新分配系統(tǒng)資源，但創(chuàng)建線程的代價則小得多。因此，使用多線程來實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行比使用多進(jìn)程的效率高。

Python 語言內(nèi)置了多線程功能支持，而不是單純地作為底層操作系統(tǒng)的調(diào)度方式，從而簡化了 Python 的多線程編程。

在實際應(yīng)用中，多線程是非常有用的。比如一個瀏覽器必須能同時下載多張圖片；一個 Web 服務(wù)器必須能同時響應(yīng)多個用戶請求；圖形用戶界面（GUI）應(yīng)用也需要啟動單獨的線程，從主機(jī)環(huán)境中收集用戶界面事件……總之，多線程在實際編程中的應(yīng)用是非常廣泛的。

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