6、并行计算中的多任务、线程与多处理器使用

并行计算中的多任务、线程与多处理器使用

在计算机编程和系统管理中，并行计算是提高性能和效率的重要手段。本文将深入探讨并行计算中的几个关键概念，包括抢占式多任务处理、线程、全局解释器锁（GIL）以及如何使用多个处理器进行并行计算。

1. 抢占式多任务处理与时间切片

在抢占式多任务处理中，操作系统会主动发起上下文切换。进程无法自主选择，而是根据操作系统使用的各种标准被切换进出。操作系统可以使用多种标准，如进程优先级、老化、I/O 状态、实时保证等。其中，时间切片是一种有趣且流行的选择。

时间切片是指操作系统按照固定的时间表进行上下文切换。每个进程被分配一定的时间（时间片或量子）来运行。当时间片结束时，操作系统会将当前进程切换出去，并切换另一个进程进来。时间切片是抢占式多任务处理的一种形式。

较长的时间片可以通过减少上下文切换的次数来提高系统效率，而较短的时间片可以通过快速切换挂起和阻塞的进程，使系统更具响应性。

2. 线程的概念与应用

多任务系统的经验表明，需要比进程本身更小的控制单元。这就产生了两个相互关联的需求：
- 单个进程需要执行多个活动。
- 这些活动需要相互共享数据。

传统的进程模型中，每个进程都有自己的地址空间和程序计数器，并且更改指令流需要进行昂贵的上下文切换，这并不适合上述需求。特别是上下文切换会将进程的内存交换出去，这与数据共享的需求直接矛盾。

为了解决这个问题，引入了线程的概念。线程类似于进程，是一系列带有关联进程计数器的指令。不同之处在于，多个线程可以共享相同的地址空间。一般来说，线程是进程的组成部分，它们共享整个进程的地址空间，但可以单独调度。从一