Python 进阶——并发编程
一、基本概念
1. 进程、线程与协程
- 进程：进程是操作系统分配资源的基本单位，它包含了一个程序的执行实例及其用到的系统资源（如内存、文件、设备等）。每个进程有自己独立的内存空间，不同的进程通过进程间通信来交换信息。
- 线程：线程是 CPU 调度和执行的基本单位，是包含在进程中（比进程更小）的能独立运行的最小单位，线程又称为轻量级进程。每个进程可以有一个或多个线程，进程中的各个线程共享该进程的内存空间。线程没有独立的内存空间，只拥有运行时必不可少的资源，如程序计数器、寄存器和栈。
- 协程：协程又称微线程，是用户态的轻量级线程，其调度由用户控制。每个协程拥有自己的寄存器上下文和栈。当协程切换时，将寄存器上下文和栈保存起来，协程切回来时，恢复之前保存的寄存器上下文和栈。协程间的切换不涉及内核切换的开销，协程切换比线程切换效率更高。
| 概念 | 进程 | 线程 | 协程 |
|---|---|---|---|
| 资源占用 | 独立的内存地址空间（保存数据、代码等资源） | 共享所属进程的内存地址空间 | 共享所在线程的内存地址空间 |
| 创建开销 | 较高，需要进行大量的资源分配和初始化 | 较低，因为共享进程资源 | 最低，通常由程序内部控制，不需要操作系统介入 |
| 切换开销 | 较高，涉及 CPU 的上下文切换 | 较低，涉及内核线程的上下文切换 | 最低，通常由程序控制，不需要 CPU 和内核上下文切换 |
| 通信方式 | 通过进程间通信(IPC)，如管道、消息队列、共享内存等 | 通过共享内存 | 通过参数传递，或共享数据结构 |
| 应用场景 | 不同的程序或服务 | 多个子任务并发执行 | 异步编程，提高性能 |
| 竞态条件 | 使用锁、信号量等同步机制 | 使用锁、信号量等同步机制 | 通常不用加锁，协程之间没有竞争关系 |
举个通俗点的例子来理解下这些干巴巴的概念：
比如我们要准备一顿晚饭，做饭这项活动就可以视为一个进程，炉灶和食材是这个进程可以利用的资源。
炒菜和煮饭可以视为两个子线程，它们共用炉灶和食材资源，当资源紧缺（比如只有一个炉灶）时，会存在竞争关系。
晚饭计划一菜一汤，当炖汤时，我们可以一边等，一边准备下一道菜的工序，比如摘菜、洗菜、切菜。每项工序完成，我们还要去看看炖汤的进展。这个切换操作就是协程。
2. 并发和并行
- 并发：指在同一时间段内宏观上有多个程序在同时运行，但在单核 CPU 中，这些程序是交替执行的，同一时刻，只有一条指令在执行。
- 并行：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行，需要有硬件支持，比如多核 CPU、GPU 等，是真正意义上的同时运行。
举个例子，在一个便利店有两队（红队和蓝队）顾客排队买单。
如果只有一个收银员，那这个收银员只能交替给两队顾客结账，在同一时刻，只能有一个顾客在买单，要么来自红队，要么来自蓝队。
如果有两个收银员，那么每个收银员可以对接一队顾客。在同一时刻，蓝队和红队可能同时有顾客在买单。
3. 同步和异步
- 同步：在同步模式下，当程序执行一个操作 A，必须等这个 A 操作返回结果后，才能执行下一个操作 B。当操作 A 需要执行很长时间才能完成时，操作 B 需要陷入长久的等待，程序出现阻塞。
- 异步：在异步模式下，当程序执行一个操作 A，不会等 A 操作完成，而是立即执行下一个操作 B。当 A 操作执行完后，程序通过某种机制（例如回调函数、事件等）接收 A 操作的结果，再进行后续处理。异步使得在等待操作 A 运行期间，程序可以执行其他操作，提高了运行效率。
举个例子，肚子饿了去搞吃的，有两种餐馆：
一种是没有服务员上菜的，只能在窗口排队等着，现点现做，拿到餐品才能去找座位。这种就是同步模式，等取餐了才能去找座位。
另一种是有服务员负责传餐的，点完餐品，可以先去找个位子坐下，等服务员上菜就行。这种就是异步模式，等餐的过程中可以去找座位。
异步和协程的想法很相似，当某一项任务需要花费很长时间时，可以先转去做别的任务，避免干等。
协程可以作为实现异步的一种技术，它提供了一种简洁好用的异步模型，避免了多层嵌套的回调函数（回调地狱）导致代码变得极其复杂，难以理解和维护。
