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

在计算机编程和计算领域，高效地利用系统资源进行并行计算是一个重要的课题。本文将深入探讨多任务处理、线程的概念及其在Python中的应用，以及IPython提供的并行计算工具。

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。进程会根据操作系统使用的各种标准被切换进或切换出，这些标准包括进程优先级、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。每个进程会被分配一段时间（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

多任务系统的经验表明，需要一个比进程本身更小的控制单元。这主要源于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。

线程的概念应运而生。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。从一个线程切换到另一个线程更容易，因为不需要将整个状态发送到存