小猪的Python学习之旅 —— 6.捋一捋Python线程概念

引言

从刚开始学习Python爬虫的时候，就一直惦记着多线程这个东西，
想想每次下载图片都是单线程，一个下完继续下一个，多呆啊！

没占满的带宽(10M带宽)，1%的CPU占用率(笔者的是i7 6700K)，要不要
那么浪费，所以，不搞点多线程，多进程，协程这样的东西提高下资源利用
率，怎么也说不过去吧？然而关于线程这种话题，一般都是会让很多新手
玩家望而却步，而且听说Python里还有什么全局解释器锁(GIL)，搞得Py无法
实现高效的多线程，一听就感觉很难：

虚个卵子哦，跟着小猪把Python里和多线程相关的东西都撸一遍吧！
本节主要是对一些概念进行了解～

1.程序，进程，线程，多线程，多进程

多线程与多进程的理解：

操作系统原理相关的书，基本都会提到一句很经典的话：
"进程是资源分配的最小单位，线程则是CPU调度的最小单位"。

说到进程，如果你是windows的电脑的话，Ctrl+Alt+Del打开任务
管理器，可以看到当前电脑上正在运行的很多个进程，网易云啊，
QQ，微信啊，等等；这就是多进程，只是每个进程各司其职完成
对应的功能而已，播放、聊天，互不干扰。这是吃瓜群众的看法，
而对于我们开发来说，多进程的概念更倾向于：多个进程协同地去完成
同一项工作，为什么要在应用里使用多线程，个人的看法如下：
为了摆脱系统的一些限制和为自己的应用获取更多的资源，举个例子：
在Android中为每个应用(进程)限制类最大内存，单个进程超过这个
阀值是会OOM的，而使用多进程技术可以减少内存溢出的问题；
再举个例子：Python在实现Python解析器(CPython)时引入GIL锁
这种东西，使得任何时候仅有一个线程在执行，多线程的效率还
可能比不上单线程，使用多线程可以规避这个限制。

说完多进程，然后说下多线程，首先为何会引入线程呢？举个例子：
你有一个文本程序，接收用户的输入，显示到屏幕上，并保存到硬盘里，
由三个进程组成：输入接收进程A，显示内容进程B，写入硬盘进程C，
而他们之间共同需要要拥有的东西——文本内容，因为进程A，B，C
运行在不同的内存空间，这就涉及到进程通信问题了，而频繁的切换
势必导致性能上的损失。有没有一种机制使得做这三个任务时共享资源呢？
这个时候线程(轻量级的进程)就粉墨登场啦！感觉就像进程又开辟了
一个小世界一样：系统 -> 进程 -> 线程，系统里有很多进程，进程里
又有很多线程。(有点像斗破小说那种套路...)

相信到这里你对多进程和多线程的概念就应一清二楚了，简单比较下
两者的区别与使用场景吧：(摘自：浅谈多进程多线程的选择)

2.线程的生命周期

各个状态说明：

• 1.New(新建)，新创建的线程进过初始化，进入Runnable(就绪)状态；
• 2.Runnable(就绪)，等待线程调度，调度后进入Running(运行)状态；
• 3.Running(运行)，线程正常运行，期间可能会因为某些情况进入Blocked(堵塞)
  状态(同步锁；调用了sleep()和join()方法进入Sleeping状态；执行wait()
  方法进入Waiting状态，等待其他线程notify通知唤醒)；
• 4.Blocked(堵塞)，线程暂停运行，解除堵塞后进入Runnable(就绪)状态
  重新等待调度；
• 5.Dead(死亡)：线程完成了它的任务正常结束或因异常导致终止；

3.并行与并发

并行是同时处理多个任务，而并发则是处理多个任务，而不一定要同时，
并行可以说是并发的子集。

4.同步与异步

同步：线程执行某个请求，如果该请求需要一段时间才能返回信息，
那么这个线程会一直等待，直到收到返回信息才能继续执行下去；

异步：线程执行完某个请求，不需要一直等，直接继续执行后续操作，
当有消息返回时系统会通知线程进程处理，这样可以提高执行的效率；
异步在网络请求的应用非常常见～

5.线程同步安全问题

当有两个或以上线程在同一时刻访问同一资源，可能会带来一些问题，
比如：数据库表不允许插入重复数据，而线程1,2都得到了数据X，然后
线程1,2同时查询了数据库，发现没有数据X，接着两线程都往数据库中
插入了X，然后就GG啦，这就是线程的同步安全问题，而这里的数据库
资源我们又称为：临界资源(共享资源)。

6.如何解决同步安全问题(同步锁)

当多个线程访问临界资源的时候，有可能会出现线程安全问题；
而基本所有并发模式在解决线程安全问题时都采用"系列化访问
临界资源"的方式，就是同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，
也称"同步互斥访问"。通常的操作就是加锁(同步锁)，当有线程访问
临界资源时需要获得这个锁，其他线程无法访问，只能等待(堵塞)，
等这个线程使用完释放锁，供其他线程继续访问。

7.与锁有关的特殊情况：死锁，饥饿与活锁

有了同步锁不意味着就一了百了了，当多个进程/线程的操作涉及到了多个锁，
就可能出现下述三种情况：

• 死锁(DeadLock)

两个或以上进程(线程)在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，
如果无外力作用，他们将继续这样僵持下去；简单点说：两个人互相持有对方想要的资源，
然后每一方都不愿意放弃自己手上的资源，就一直那样僵持着。

死锁发生的条件：

互斥条件(临界资源)；
请求和保持条件(请求资源但不释放自己暂用的资源)；
不剥夺条件(线程获得的资源只有线程使用完后自己释放，不能被其他线程剥夺)；
环路等待条件：在死锁发生时，必然存在一个”进程-资源环形链”，t1等t2，t2等t1；

如何避免死锁：

破坏四个条件中的一个或多个条件，常见的预防方法有如下两种：
有序资源分配法：资源按某种规则统一编号，申请时必须按照升序申请：
1.属于同一类的资源要一次申请完；2.申请不同类资源按照一定的顺序申请。
银行家算法：就是检查申请者对资源的最大需求量，如果当前各类资源都可以满足的
申请者的请求，就满足申请者的请求，这样申请者就可很快完成其计算，然后释放它占用
的资源，从而保证了系统中的所有进程都能完成，所以可避免死锁的发生。
理论上能够非常有效的避免死锁，但从某种意义上说，缺乏使用价值，因为很少有进程
能够知道所需资源的最大值，而且进程数目也不是固定的，往往是不断变化的，
况且原本可用的资源也可能突然间变得不可用(比如打印机损坏)。

• 饥饿(starvation)与饿死(starve to death)

资源分配策略有可能是不公平的，即不能保证等待时间上界的存在，即使没有
发生死锁， 某些进程可能因长时间的等待，对进程推进与相应带来明显影响，
此时的进程就是 发生了进程饥饿(starvation)，当饥饿达到一定程序即此时
进程即使完成了任务也 没有实际意义时，此时称该进程被饿死(starve to death)，
典型的例子： 文件打印，采用短文件优先策略，如果短文件太多，长文件会一直
推迟，那还打印个毛。

• 活锁(LiveLock)

特殊的饥饿，一系列进程轮询等待某个不可能为真的条件为真，此时进程不会
进入blocked状态， 但会占用CPU资源，活锁还有几率能自己解开，而死锁则
无法自己解开。(例子：都觉得对方优先级比自己高，相互谦让，导致无法
使用某资源)，简单避免死锁的方法：先来先服务策略。

8.守护线程

也叫后台线程，是一种为其他线程提供服务的线程，比如一个简单的例子：
你有两个线程在协同的做一件事，如果有一个线程死掉，事情就无法继续
下去，此时可以引入守护线程，轮询地去判断两个线程是否或者(调isAlive())，
如果死掉就start开启线程，在Python中可以在线程初始化的时候调用
setDaemon(True)把线程设置为守护线程，如果程序中只剩下守护线程
的话会自动退出。

9.线程并发的经典问题：生产中与消费者问题

说到线程并发，不得不说的一个经典问题就是：生产中与消费者问题：

两个共享固定缓冲区大小的线程，生产者线程负责生产一定量的数据
放入缓冲区， 而消费者线程则负责消耗缓冲区中的数据，关键问题是
需要保证两点：

• 1.缓冲区满的时候，生产者不再往缓冲区中填充数据
• 2.缓存区空的时候，消费者不在消耗缓冲区中的数据

听不懂也没什么，这个后面会写例子的～

10.Python中的GIL锁

概念：

全局解释器锁，用于同步线程的一种机制，使得任何时候仅有一个线程在执行。
GIL 并不是Python的特性，只是在实现Python解析器(CPython)时引入的
一个概念。换句话说，Python完全可以不依赖于GIL。

Python解释器进程内的多线程是以协作多任务方式执行的，当一个线程遇到
I/O操作时会释放GIL。而依赖CPU计算的线程则是执行代码量到一定的阀值，
才会释放GIL。而在Python 3.2开始使用新的GIL，使用固定的超时时间来指示
当前线程放弃全局锁，就是：当前线程持有这个锁，且其他线程请求这个锁时，
当前线程就会再5毫秒后被强制释放掉该锁。

多线程在处理CPU密集型操作因为各种循环处理计数等，会很快达到阀值，
而多个线程来回切换是会消耗资源的，所以多线程的效率往往可能还比不上
单线程！而在多核CPU上效率会更低，因为多核环境下，持有锁的CPU释放锁后，
其他CPU上的线程都会进行竞争，但GIL可能马上又会被之前的CPU拿到拿到，
导致其他几个CPU上被唤醒后的线程会醒着等待到切换时间后又进入待调度
状态，从而造成线程颠簸(thrashing)，导致效率更低。

问题：

因为GIL锁的原因，对于CPU密集型操作，Python多线程就是鸡肋了？

答：是的！尽管多线程开销小，但却无法利用多核优势！
可以使用多进程来规避这个问题，Python提供了multiprocessing
这个跨平台的模块来帮助我们实现多进程代码的编写。
每个线程都有自己独立的GIL，因此不会出现进程间GIL
锁抢夺的问题，但是也增加程序实现线程间数据通讯和同步
是的成本，这个需要自行进行权衡。

11.Python中对多线程与多进程的支持

Python与线程，进程相关的官方文档： 17. Concurrent Execution
https://docs.python.org/3/library/concurrency.html

简单介绍下里面的一些模块，后面会一个个啃～

• threading —— 提供线程相关的操作
• multiprocessing —— 提供进程程相关的操作
• concurrent.futures —— 异步并发模块，实现多线程和多进程的异步并发(3.2后引入)
• subprocess —— 创建子进程，并提供链接到他们输入/输出/错误管道的方法，
  并获得他们的返回码，该模块旨在替换几个较旧的模块和功能：os.system与os.spawn*
• sched ——　任务调度(延时处理机制)
• queue ——　提供同步的、线程安全的队列类

还有几个是兼容模块，比如Python 2.x上用threading和Python 3.x上用thread：

• dummy_threading：提供和threading模块相同的接口，2.x使用threading兼容；
• _thread：threading模块的基础模块，应该尽量使用 threading 模块替代；
• dummy_thread：提供和thread模块相同的接口，3.x使用threading兼容；

小结

本节我们围绕着线程以及进程相关的概念进行了解析，尽管有些
枯燥，但是如果坚持看完，相信你对于线程与进程的理解会更进
一步，概念什么都是虚的，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，
下节开始我们来通过写代码的方式一一学习这些模块吧！

参考文献：

• 多线程与多进程
• 浅谈多进程多线程的选择
• python开发线程:线程&守护线程&全局解释器锁
• 知乎：为什么有人说 Python 的多线程是鸡肋呢
• 维基百科：全局解释器锁
• Python的GIL是什么鬼，多线程性能究竟如何

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