6、并行计算中的多任务、线程与IPython并行架构

并行计算中的多任务、线程与IPython并行架构

在并行计算领域，为了更高效地利用系统资源，实现多个任务的同时执行，涉及到多种技术和概念。本文将深入探讨抢占式多任务、线程、Python中的线程应用、全局解释器锁（GIL）以及IPython的并行架构等内容。

1. 抢占式多任务与时间片

在抢占式多任务中，操作系统会主动发起上下文切换。操作系统可以依据多种标准来决定进程的切换，如进程优先级、老化、I/O状态、实时保证等。其中，时间片是一种有趣且常用的选择。

时间片机制下，操作系统会按照固定的时间表进行上下文切换。每个进程会被分配一段时间片（量子），在这段时间内它可以运行。当时间片结束，操作系统会将当前进程切换出去，换入另一个进程。时间片是抢占式多任务的一种形式。

较长的时间片可以通过减少上下文切换的次数，使系统更加高效；而较短的时间片则可以快速切换掉挂起和阻塞的进程，让系统更具响应性。

2. 线程的引入

多任务系统的实践表明，需要一个比进程更小的控制单元。主要有两个相互关联的需求：一是单个进程需要执行多个活动；二是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换出，这与数据共享的需求直接矛盾。

为了解决这些问题，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序列。不同的是，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。从一个线程切换到另一个线程更容易，因为不需要将整个状态存