【Python基礎(chǔ)知識(shí)】進(jìn)程和線程

1、多任務(wù)操作系統(tǒng)

Windows、Linux和Mac OS等一些常用的操作系統(tǒng)都是多任務(wù)操作系統(tǒng)。其中，多任務(wù)是指操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。例如，用戶使用Windows操作系統(tǒng)可以一邊用瀏覽器上網(wǎng)查閱資料，一邊用音樂播放器聽歌，一邊用PowerPoint制作幻燈片，這就是多任務(wù)。多任務(wù)至少有3個(gè)任務(wù)在操作系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行，與此同時(shí)還有一些任務(wù)在后臺(tái)運(yùn)行著，只是這些任務(wù)沒有顯示在桌面上而已。

基于摩爾定律，近年來CPU技術(shù)得到了飛速地發(fā)展，現(xiàn)在多核CPU已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)的“標(biāo)配”。然而，即使在多年前使用單核CPU，Windows操作系統(tǒng)本身就是多任務(wù)操作系統(tǒng)。多任務(wù)操作系統(tǒng)的CPU是順序執(zhí)行代碼的，那么單核CPU執(zhí)行多任務(wù)就需要時(shí)分復(fù)用，即操作系統(tǒng)輪流讓各個(gè)任務(wù)交替執(zhí)行。例如，操作系統(tǒng)中同時(shí)有3個(gè)任務(wù)，任務(wù)1執(zhí)行0.01秒，切換到任務(wù)2;任務(wù)2執(zhí)行0.01秒，切換到任務(wù)3;任務(wù)3執(zhí)行0.01秒，切換到任務(wù)1;任務(wù)1執(zhí)行0.01秒，切換到任務(wù)2……這樣反復(fù)循環(huán)執(zhí)行下去。實(shí)際上，在單核CPU中，每個(gè)任務(wù)都是交替執(zhí)行的，但是由于CPU的主頻大多數(shù)以吉赫茲為單位，執(zhí)行速度極快，用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，是感覺不到時(shí)間間隔的，因此，用戶使用計(jì)算機(jī)時(shí)就像所有任務(wù)都在同時(shí)執(zhí)行一樣。

真正地同時(shí)運(yùn)行多任務(wù)只能在多核CPU上實(shí)現(xiàn)，但由于CPU的核心數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于任務(wù)的數(shù)量，因此，目前操作系統(tǒng)依舊效仿單核CPU時(shí)的策略，也會(huì)自動(dòng)將很多任務(wù)輪流調(diào)度到每個(gè)核心上運(yùn)行。

2、進(jìn)程與線程

在操作系統(tǒng)中，一個(gè)任務(wù)就是一個(gè)進(jìn)程(Process)。例如，打開一個(gè)瀏覽器就是啟動(dòng)了一個(gè)瀏覽器進(jìn)程，打開一個(gè)播放器就啟動(dòng)了一個(gè)播放器進(jìn)程，打開兩個(gè)Word文檔就啟動(dòng)了兩個(gè)Word進(jìn)程。

有些進(jìn)程可能會(huì)同時(shí)做多件事，如Word可以同時(shí)進(jìn)行打字、拼寫檢查、打印等。在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)部，多件事需要同時(shí)做，那么多個(gè)子任務(wù)就需要同時(shí)運(yùn)行，這些子任務(wù)稱為線程(Thread)。

一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程，這是因?yàn)橐粋�(gè)進(jìn)程至少要做一件事。如上例所述的Word進(jìn)程可以有多個(gè)線程，而且多個(gè)線程可以同時(shí)運(yùn)行。與多進(jìn)程類似，多線程的運(yùn)行方式也是由操作系統(tǒng)在多個(gè)線程之間進(jìn)行快速切換。在操作系統(tǒng)中每個(gè)線程都短暫地交替運(yùn)行，而對(duì)于用戶而言，看起來就像同時(shí)在運(yùn)行一樣。當(dāng)然，基于多核CPU能夠真正地同時(shí)運(yùn)行多線程。

3、多進(jìn)程與多線程

前文中編寫的Python程序，都是執(zhí)行單任務(wù)的進(jìn)程，而且只有一個(gè)線程。如果多個(gè)任務(wù)要同時(shí)執(zhí)行怎么辦?實(shí)際中有以下兩種常用的解決方案：

①多進(jìn)程，即啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)(注意，此處每個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)線程)。

②多線程，即只啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程，在這個(gè)進(jìn)程中啟動(dòng)多個(gè)線程，這樣多個(gè)線程也可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。

除此之外，還可以采用混合模式，即先啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程再啟動(dòng)多個(gè)線程。但由于這種模式比以上兩種更復(fù)雜，實(shí)際中很少采用。

執(zhí)行多任務(wù)時(shí)，通常各個(gè)任務(wù)之間是有關(guān)聯(lián)的，需要相互通信和協(xié)調(diào)。例如，有多個(gè)任務(wù)，任務(wù)1有時(shí)必須暫停等待任務(wù)2完成后才能繼續(xù)執(zhí)行，任務(wù)3和任務(wù)4有時(shí)又不能同時(shí)執(zhí)行，因此，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單進(jìn)程單線程的程序。

即使多進(jìn)程或多線程的程序復(fù)雜度高且調(diào)試?yán)щy，但現(xiàn)實(shí)中很多情況都需要設(shè)計(jì)多任務(wù)框架才能解決問題。例如，在手機(jī)上看電影時(shí)，播放器進(jìn)程中就必須有一個(gè)線程播放視頻，另一個(gè)線程播放音頻，否則，如果采用單線程來實(shí)現(xiàn)，那么就只能先將視頻播放完再播放音頻，或者先將音頻播放完再播放視頻，這對(duì)用戶而言顯然是不可接受的。

總而言之，多任務(wù)可以由多進(jìn)程完成，也可以由一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的多線程完成。如何調(diào)度進(jìn)程和線程，完全由操作系統(tǒng)決定，Python程序自己不能決定什么時(shí)候執(zhí)行，執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間。多進(jìn)程和多線程的程序涉及同步、數(shù)據(jù)共享等問題，編寫起來比較復(fù)雜。

Python既支持多進(jìn)程，又支持多線程，下面會(huì)介紹編寫這兩種多任務(wù)程序的方法。