【Python基础知识】进程和线程

1、多任务操作系统

Windows、Linux和Mac OS等一些常用的操作系统都是多任务操作系统。其中，多任务是指操作系统可以同时运行多个任务。例如，用户使用Windows操作系统可以一边用浏览器上网查阅资料，一边用音乐播放器听歌，一边用PowerPoint制作幻灯片，这就是多任务。多任务至少有3个任务在操作系统中同时运行，与此同时还有一些任务在后台运行着，只是这些任务没有显示在桌面上而已。

基于摩尔定律，近年来CPU技术得到了飞速地发展，现在多核CPU已经成为计算机的“标配”。然而，即使在多年前使用单核CPU，Windows操作系统本身就是多任务操作系统。多任务操作系统的CPU是顺序执行代码的，那么单核CPU执行多任务就需要时分复用，即操作系统轮流让各个任务交替执行。例如，操作系统中同时有3个任务，任务1执行0.01秒，切换到任务2;任务2执行0.01秒，切换到任务3;任务3执行0.01秒，切换到任务1;任务1执行0.01秒，切换到任务2……这样反复循环执行下去。实际上，在单核CPU中，每个任务都是交替执行的，但是由于CPU的主频大多数以吉赫兹为单位，执行速度极快，用户在使用计算机时，是感觉不到时间间隔的，因此，用户使用计算机时就像所有任务都在同时执行一样。

真正地同时运行多任务只能在多核CPU上实现，但由于CPU的核心数量远远小于任务的数量，因此，目前操作系统依旧效仿单核CPU时的策略，也会自动将很多任务轮流调度到每个核心上运行。

2、进程与线程

在操作系统中，一个任务就是一个进程(Process)。例如，打开一个浏览器就是启动了一个浏览器进程，打开一个播放器就启动了一个播放器进程，打开两个Word文档就启动了两个Word进程。

有些进程可能会同时做多件事，如Word可以同时进行打字、拼写检查、打印等。在一个进程内部，多件事需要同时做，那么多个子任务就需要同时运行，这些子任务称为线程(Thread)。

一个进程至少有一个线程，这是因为一个进程至少要做一件事。如上例所述的Word进程可以有多个线程，而且多个线程可以同时运行。与多进程类似，多线程的运行方式也是由操作系统在多个线程之间进行快速切换。在操作系统中每个线程都短暂地交替运行，而对于用户而言，看起来就像同时在运行一样。当然，基于多核CPU能够真正地同时运行多线程。

3、多进程与多线程

前文中编写的Python程序，都是执行单任务的进程，而且只有一个线程。如果多个任务要同时执行怎么办?实际中有以下两种常用的解决方案：

①多进程，即启动多个进程，多个进程可以同时执行多个任务(注意，此处每个进程只有一个线程)。

②多线程，即只启动一个进程，在这个进程中启动多个线程，这样多个线程也可以同时执行多个任务。

除此之外，还可以采用混合模式，即先启动多个进程，每个进程再启动多个线程。但由于这种模式比以上两种更复杂，实际中很少采用。

执行多任务时，通常各个任务之间是有关联的，需要相互通信和协调。例如，有多个任务，任务1有时必须暂停等待任务2完成后才能继续执行，任务3和任务4有时又不能同时执行，因此，实现的复杂度要远远高于单进程单线程的程序。

即使多进程或多线程的程序复杂度高且调试困难，但现实中很多情况都需要设计多任务框架才能解决问题。例如，在手机上看电影时，播放器进程中就必须有一个线程播放视频，另一个线程播放音频，否则，如果采用单线程来实现，那么就只能先将视频播放完再播放音频，或者先将音频播放完再播放视频，这对用户而言显然是不可接受的。

总而言之，多任务可以由多进程完成，也可以由一个进程内的多线程完成。如何调度进程和线程，完全由操作系统决定，Python程序自己不能决定什么时候执行，执行多长时间。多进程和多线程的程序涉及同步、数据共享等问题，编写起来比较复杂。

Python既支持多进程，又支持多线程，下面会介绍编写这两种多任务程序的方法。