Day10-1【Python 进程和线程】操作系统的“多任务”：单核和多核的世界大不同

你是不是觉得你的电脑好像能同时做很多事情？比如你一边听音乐，一边打字，一边浏览网页——看似每个任务都在同时进行。但如果你问操作系统，实际上它并不那么“多心”。今天，我们就来聊聊“多任务”到底是什么，以及操作系统如何让我们以为它在做魔法！

 

 

 

1. 什么是“多任务”？

简单来说，“多任务”就是操作系统能够让你同时运行多个程序（或者任务）。想象一下你在浏览网页、用Word处理文件、听MP3音乐，甚至可能后台还在更新杀毒软件或同步云文件——这些任务好像都在同时进行吧？

但实际上，这些任务并不会同时运行（除非你用的是多核处理器）。操作系统的“多任务”是通过快速切换任务来实现的。比如，浏览器任务运行0.01秒后切换到MP3任务，再切换到Word任务。每个任务好像都有自己的时间，但因为CPU切换的速度太快，我们感觉它们都在同时进行。

2. 单核CPU是如何“多任务”的？

你可能会觉得既然是单核CPU，它就只能做一件事，怎么能同时运行多个任务呢？答案是：轮流执行。单核CPU像一个过敏的小丑，它能快速跳来跳去，像打地鼠一样：任务1做0.01秒，然后切到任务2、任务3，直到所有任务都完成。它们似乎是“并行”的，但其实是快速切换来骗我们的眼睛。

所以，单核CPU通过切换任务，给我们带来了多任务的错觉。

3. 真正的“并行执行”：多核CPU的登场

有了多核CPU，操作系统就可以让每个核心同时执行不同的任务。比如，浏览器占用一个核心，MP3播放占用另一个核心，而Word文档的编辑也可以在一个单独的核心上执行——这才是真正的“并行”！

但问题来了——无论是单核还是多核CPU，任务永远比核心多。这就意味着，操作系统需要灵活地安排任务：每个核心轮流处理多个任务，让每个任务有机会执行。

4. 进程与线程：任务的基本构成

好啦，任务怎么调度的差不多讲清楚了，接下来我们看看任务的构成。在操作系统中，任务通常被称为进程（Process），比如你打开一个浏览器，它就是一个独立的进程。如果你再打开一个浏览器窗口，那就启动了第二个进程。

但是一个进程并不总是只能做一件事！比如，Word可以同时拼写检查、打印文档和接收输入。每个进程内部的“子任务”叫做线程（Thread）。一个进程可以有多个线程，每个线程负责不同的工作。

简而言之：

• 进程：一个独立的任务（比如浏览器或Word）。

• 线程：进程内部的子任务（比如在Word里，打字、拼写检查、打印等）。

所以，如果你觉得Word好像有很多动作在同时进行，那是因为它的多个线程在同时工作。

5. 多进程与多线程：如何让程序“变多心”

如果你想要在程序中实现多个任务，你可以选择两种方式：

1. 多进程：启动多个进程，每个进程负责独立的任务。例如，你可以启动一个进程播放视频，另一个进程播放音频。

2. 多线程：在一个进程中启动多个线程。这样可以让程序中的不同部分同时执行（但还是共享同一个内存空间）。

实际上，还有一种更“豪华”的方式：多进程 + 多线程！就是说，你先启动多个进程，每个进程再启动多个线程。这种模式虽然非常强大，但也很复杂，通常只有在特别高要求的程序中才使用。

6. 任务之间的配合：同步与数据共享

当我们在写多进程或多线程的程序时，通常这些任务之间是有依赖关系的。例如，任务1需要等待任务2完成后才能继续执行；或者任务A和任务B不能同时操作同一数据。这个时候，我们就需要考虑同步和数据共享的问题。

同步的意思是：保证多个任务在执行过程中不会互相干扰（比如一个线程在写数据时，另一个线程不应该读数据）。数据共享是指，多个任务可以访问同一个数据，但要确保访问时不会产生冲突。

所以，编写多任务程序虽然很炫酷，但调试起来相当棘手，需要小心处理同步与数据共享的问题。

7. 小结：操作系统的魔法背后

我们今天的讨论让你了解了操作系统是如何通过“切换任务”或“多核并行”来实现多任务的。而多进程、多线程的程序虽然能让程序更高效，但也让程序的设计和调试变得更加复杂。

上机任务：

1. 进程切换模拟： 编写一个程序，模拟操作系统如何在多个任务间进行快速切换。你可以使用time.sleep()来模拟任务的执行，并通过threading库创建多个线程。

2. 多线程实现任务： 使用Python的threading模块，编写一个程序来模拟多线程的任务。例如，启动一个线程下载文件，另一个线程播放音乐。

3. 进程与线程的协作： 编写一个程序，模拟两个进程间的通信和数据共享。你可以使用multiprocessing库来创建进程并共享数据。

通过这些练习，你将更加清楚地理解进程与线程的实际应用，顺便体验一下多任务编程的挑战和乐趣！