【Python基礎知識】進程和線程

1、多任務操作系統

Windows、Linux和Mac OS等一些常用的操作系統都是多任務操作系統。其中，多任務是指操作系統可以同時運行多個任務。例如，用戶使用Windows操作系統可以一邊用瀏覽器上網查閱資料，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。多任務至少有3個任務在操作系統中同時運行，與此同時還有一些任務在后臺運行著，只是這些任務沒有顯示在桌面上而已。

基于摩爾定律，近年來CPU技術得到了飛速地發展，現在多核CPU已經成為計算機的“標配”。然而，即使在多年前使用單核CPU，Windows操作系統本身就是多任務操作系統。多任務操作系統的CPU是順序執行代碼的，那么單核CPU執行多任務就需要時分復用，即操作系統輪流讓各個任務交替執行。例如，操作系統中同時有3個任務，任務1執行0.01秒，切換到任務2;任務2執行0.01秒，切換到任務3;任務3執行0.01秒，切換到任務1;任務1執行0.01秒，切換到任務2……這樣反復循環執行下去。實際上，在單核CPU中，每個任務都是交替執行的，但是由于CPU的主頻大多數以吉赫茲為單位，執行速度極快，用戶在使用計算機時，是感覺不到時間間隔的，因此，用戶使用計算機時就像所有任務都在同時執行一樣。

真正地同時運行多任務只能在多核CPU上實現，但由于CPU的核心數量遠遠小于任務的數量，因此，目前操作系統依舊效仿單核CPU時的策略，也會自動將很多任務輪流調度到每個核心上運行。

2、進程與線程

在操作系統中，一個任務就是一個進程(Process)。例如，打開一個瀏覽器就是啟動了一個瀏覽器進程，打開一個播放器就啟動了一個播放器進程，打開兩個Word文檔就啟動了兩個Word進程。

有些進程可能會同時做多件事，如Word可以同時進行打字、拼寫檢查、打印等。在一個進程內部，多件事需要同時做，那么多個子任務就需要同時運行，這些子任務稱為線程(Thread)。

一個進程至少有一個線程，這是因為一個進程至少要做一件事。如上例所述的Word進程可以有多個線程，而且多個線程可以同時運行。與多進程類似，多線程的運行方式也是由操作系統在多個線程之間進行快速切換。在操作系統中每個線程都短暫地交替運行，而對于用戶而言，看起來就像同時在運行一樣。當然，基于多核CPU能夠真正地同時運行多線程。

3、多進程與多線程

前文中編寫的Python程序，都是執行單任務的進程，而且只有一個線程。如果多個任務要同時執行怎么辦?實際中有以下兩種常用的解決方案：

①多進程，即啟動多個進程，多個進程可以同時執行多個任務(注意，此處每個進程只有一個線程)。

②多線程，即只啟動一個進程，在這個進程中啟動多個線程，這樣多個線程也可以同時執行多個任務。

除此之外，還可以采用混合模式，即先啟動多個進程，每個進程再啟動多個線程。但由于這種模式比以上兩種更復雜，實際中很少采用。

執行多任務時，通常各個任務之間是有關聯的，需要相互通信和協調。例如，有多個任務，任務1有時必須暫停等待任務2完成后才能繼續執行，任務3和任務4有時又不能同時執行，因此，實現的復雜度要遠遠高于單進程單線程的程序。

即使多進程或多線程的程序復雜度高且調試困難，但現實中很多情況都需要設計多任務框架才能解決問題。例如，在手機上看電影時，播放器進程中就必須有一個線程播放視頻，另一個線程播放音頻，否則，如果采用單線程來實現，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，這對用戶而言顯然是不可接受的。

總而言之，多任務可以由多進程完成，也可以由一個進程內的多線程完成。如何調度進程和線程，完全由操作系統決定，Python程序自己不能決定什么時候執行，執行多長時間。多進程和多線程的程序涉及同步、數據共享等問題，編寫起來比較復雜。

Python既支持多進程，又支持多線程，下面會介紹編寫這兩種多任務程序的方法。