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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)可以同時運行多個任務(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個任務(wù)在操作系統(tǒng)中同時運行,與此同時還有一些任務(wù)在后臺運行著,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)成為計算機的“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)就需要時分復(fù)用,即操作系統(tǒng)輪流讓各個任務(wù)交替執(zhí)行。例如,操作系統(tǒng)中同時有3個任務(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。實際上,在單核CPU中,每個任務(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(wù)都在同時執(zhí)行一樣。
真正地同時運行多任務(wù)只能在多核CPU上實現(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時的策略,也會自動將很多任務(wù)輪流調(diào)度到每個核心上運行。
2、進程與線程
在操作系統(tǒng)中,一個任務(wù)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(nèi)部,多件事需要同時做,那么多個子任務(wù)就需要同時運行,這些子任務(wù)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(tǒng)在多個線程之間進行快速切換。在操作系統(tǒng)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(dāng)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(zhí)行單任務(wù)的進程,而且只有一個線程。如果多個任務(wù)要同時執(zhí)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(zhí)行多個任務(wù)(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(zhí)行多個任務(wù)。
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(fù)雜,實際中很少采用。
執(zhí)行多任務(wù)時,通常各個任務(wù)之間是有關(guān)聯(lián)的,需要相互通信和協(xié)調(diào)。例如,有多個任務(wù),任務(wù)1有時必須暫停等待任務(wù)2完成后才能繼續(xù)執(zhí)行,任務(wù)3和任務(wù)4有時又不能同時執(zhí)行,因此,實現(xiàn)的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單進程單線程的程序。
即使多進程或多線程的程序復(fù)雜度高且調(diào)試?yán)щy,但現(xiàn)實中很多情況都需要設(shè)計多任務(wù)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(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)可以由多進程完成,也可以由一個進程內(nèi)的多線程完成。如何調(diào)度進程和線程,完全由操作系統(tǒng)決定,Python程序自己不能決定什么時候執(zhí)行,執(zhí)行多長時間。多進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既支持多進程,又支持多線程,下面會介紹編寫這兩種多任務(wù)程序的方法。
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