什么是操作系统

      可能很多人都会说，我们平时装的windows7 windows10都是操作系统，没错，他们都是操作系统。还有没有其他的？

想想我们使用的手机，Google公司的Android系统，Apple公司笔记本上的的MacOSX、IPhone的IOS，他们都是操作系统。

那么我们想想，操作系统都可以做什么？

我们买来电脑的后第一件事情就是安装操作系统，有的电脑则在我们买来的时候已经安装好了操作系统，比如说品牌机（Dell、HP、lenovo）。

我们可以在操作系统上通过安装程序来看视频，听音乐，玩游戏、浏览网页，还可以弹出移动硬盘和U 盘、管理我们硬盘中的文件等等；我们通过操作系统来和计算机交互，系统协调我们安排给计算机的各种任务。操作系统(Operating System, OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。计算机操作系统是随着计算机研究和应用的发展逐步形成并发展起来的，它是计算机系统中最基本的系统软件。

我们通过操作系统来使用计算机。 知道了系统是用来做什么的，我们来了解一下系统的发展历史。（操作系统工作方式的演变——20世纪五六十年代）。

手工操作（无操作系统）

      人们先把程序纸带（或卡片）装上计算机，然后启动输入机把程序和送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，打印机输出计算结果，用户卸下并取走纸带（或卡片）。第二个用户上机，重复同样的步骤。

特点： 用户独占机器，CPU等待手工操作，CPU利用不充分。

由于手工操作的满速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作的方式是计算机的资源利用率极低，唯一的解决办法只有摆脱手工操作，实现作业的自动过渡。

批处理系统

     批处理系统： 加载计算机上的一个监督软件，在监督程序的控制下，计算机能够自动的、成批的处理一个或多个用户的作业（作业包括程序、数据、命令）。

首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入输出由CPU来处理。

联机批处理系统

      在主机和输入机之间增加两个存储设备——磁带机，在监督程序的自动控制下，计算机自动完成任务。

成批的把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行，执行完成后把计算结果想输出机输出。 完成一批作业后，监督程度又从输入机读取作业存入磁带机。按照上面的步骤重复处理任务。监督程序不停的处理各个作业，实现了作业的自动转接，减少了作业的建立时间和手工操作时间，有效的克服了人机矛盾，提高了计算机资源的利用率。

问题： 在输入作业和输出结果时，CPU还是会处于线空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作——主机处于忙等状态。

脱机批处理系统

为了克服与缓解告诉主机与慢速外设（输入输出设备），提高CPU利用率，用又引入了脱机批处理系统，即输入输出脱离主机控制。

显著特征就是：增加一台不与主机直接相连卫星机。卫星机用来从输入机上读取用户作业并放到磁带机上；将磁带机上的执行结果传给输出机。这样主机不再与慢速的输入输出设备连接。主机与卫星机两者并行工作，分工明确，可充分发挥主机的告诉计算能力。

问题：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。

多道程序系统

多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。

单道程序运行过程 ：在A程序计算时，I/O空闲， A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2。

多道程序运行过程 ：将A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样 CPU不再空闲，而正进行A I/O操作的I/O设备也不空闲，显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率，A、B全部完成所需时间<T1+T2。

多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用，同时改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量（单位时间内处理作业（程序）的个数），最终提高了整个系统的效率

多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。
 
   
成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。

虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。

20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统。

多道批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。即使CPU可以1分钟运算100W次，如果作业是按照每分钟100次来做运算，资源被大大浪费。

分时系统

      分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。具有上述特征的计算机系统称为分时系统，它允许多个用户同时联机使用计算机。

问题： 无法对特殊任务做出及时响应

实时系统

      虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，但却不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求。于是就产生了实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。

实时系统可分成两类：
     
实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。
      实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。
     实时操作系统的主要特点：
     及时响应,每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
     高可靠性,需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。

通用操作系统

     操作系统的三种基本类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统。

具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。
     例如：实时处理+批处理=实时批处理系统。首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。
再如：批处理+分时处理=分时批处理系统。即：时间要求不强的作业放入“后台”（批处理）处理，需频繁交互的作业在“前台”（以去银行办理业务，这个银行只有一个窗口可以办理业务。离业务窗口不远的地方是等候区，两者之间走路需要1分钟。分时）处理，处理机优先运行“前台”作业。
从上世纪60年代中期，国际上开始研制一些大型的通用操作系统。这些系统试图达到功能齐全、可适应各种应用范围和操作方式变化多端的环境的目标。但是，这些系统过于复杂和庞大，不仅付出了巨大的代价，且在解决其可靠性、可维护性和可理解性方面都遇到很大的困难。

我们举例来说明一下系统的发展过程：

最开始的时候，每次只能一个人去业务窗口办理业务，等第一个人业务办理完成，回到等候区后，下一个人才可以去窗口办理业务。但是，每次在用户走向/离开业务窗口的时候，都需要等到一分钟，办理一个人的业务就需要等待2分钟。如果业务处理一个人的业务需要一个小时的时候，这个问题并不明显，但是随着业务窗口办理业务的速度加快，变成10分钟处理一个业务的时候，这个问题就凸显出来了。不那里业务的速度越快，问题就明显。
（ 此时相当于操作系统的发展史中的——手工操作）。

为了改进上面的问题，安排了一个调度员T，每次调度员T从等候区叫10个人，来窗口排队办理业务，这样就相对上面来说，节省了很多时间，但是还有一个问题。在每次队伍走向业务窗口和离开窗口的时候，还是会浪费时间。（此时相当于联机批处理系统）在此基础上改进，调度员T
每次安排多个队伍，在处理第一个队伍的时候，队伍2已经被调度员T安排好，
这样就避免了在 每次队伍走向业务窗口和离开窗口的时候浪费的时间。（此时相当于联机批处理系统）如果业务窗口在为某人办理业务的时候，办理业务的人来了个电话，这个时候业务窗口就需要等待他打完电话后才能继续办理业务。

为了解决上述问题，业务窗口又进行了改进，这次是业务窗口一个让5个人同时等待窗口（而不是窗口前只等待一个人），如果在办理业务的时候，第一个人来电话，业务窗口就先暂停办理第一个人的业务，此时去办理第二个人的业务，如果第二个人此时也来了电话，业务窗口就去办理第三个人的业务。这样业务窗口就提高了工作效率。
在相同的时间内办理了更过的业务。 （此当相当于多道程序系统）办理业务的时候，一个人独占业务窗口，资源效率低。

业务窗口再次进行了改进。 业务窗口同时接待10个人，没10秒处理一个人的业务，时间到了以后，不管有没有处理完成当前业务，都会在下一个10秒钟去处理下一个人的业务，这样去轮流给10个人处理业务。随着业务窗口办理业务速度的提高，变成每一秒处理一个人的业务。这样对在也窗口前的10个人来说，他们的业务就好像被同时处理一样。（相当于分时操作系统）。如果这个时候，行长的亲戚来办理业务，但是行长亲戚不想等，希望自己的业务马上被处理。这个时候，就无法满足需求了。现在无法满足实时问题的处理。

业务窗口再次改进，对待特殊的业务需求马上处理。这样就可以对实时发生的问题进行处理，实时问题优先处理。（此时相当于实时系统）更形象的例子是，比如我们在开飞机，突然发现前面有一座大山，这个时候就需要我们马上进行规避动作，躲开大山，对于非实时系统在此时需要有一个响应时间，如果响应时间过长，飞机就会撞山。

由于办理业务的时候需要处理多种情况，将上面的各种情况进行综合，吸取各自的优点，这样业务窗口就能根据情况来处理业务。（相当于通用操作系统）早期的操作系统非常多样化，生产商生产出针对各自硬件的系统。每一个操作系统都有很不同的命令模式、操作过程和调试工具，即使它们来自同一个生产商。最能反映这一状况的是，厂家每生产一台新的机器都会配备一套新的操作系统。

同一厂家相同的操作系统

      这种情况一直持续到二十世纪六十年代IBM公司开发了System/360系列机器。尽管这些机器在性能上有明显的差异，但是他们有统一的操作系统——OS/360

1965年时，AT&T公司 下贝尔实验室(Bell Labs)加入一项由奇异电子(General
Electric)和麻省理工学院(MIT)合作的计划；该计划要建立一套多使用者、多任务、多层次(multi-user、multi-
processor、multi-level)的MULTICS操作系统。
     Multics
的目标是整合分时技术以及当时其他先进技术，允许用户在远程终端通过电话（拨号）登录到主机，然后可以编辑文档，阅读电子邮件，运行计算器等等。但是项目目标太过激进，进度严重滞后。最后，直到1969年AT&T
高层决定放弃这个项目。

其中有一个 叫Ken Thompson 的人 ，因为工作需要，他希望开发一个小小的作业系统，，他花了一个月的时间 在这台PDP-7上写了一个作业系统，和一些常用的工具程序，——这就是鼎鼎大名的Unics——后被改名为Unix。

到了1970年，PDP-7却只能支持两个用户 ，因为PDP-7的性能不佳，肯·汤普逊 与丹尼斯·里奇决定把第一版UNIX移植到PDP-11/20的机器上，开发第二版UNIcs。在性能提升后，真正可以提供多人同时使用， 布莱恩·柯林汉提议将它的名称改为UNIX。

Unix被称为计算机/互联网行业的基石。

肯·汤普逊的同事看到他写的程序很好用，都开始使用这个系统，中间经过了多次改版。

由于当时的机器结构不同，所以每次安装系统时，都需要重新编写一遍。第一版的Unix是使用汇编语言和B语言来开发的，B语言不够强大，所以Thompson和Ritchie对其进行了改造，并于1971年共同发明了C语言。

1973年Thompson和丹尼斯·里奇用C语言重写了UNIX。这个时候，Unix的正式版本发行了。

同年，学术界参与到UNIX的开发工作中，重要的就是加州伯克利（Berkeley）大学。伯克利大学的Bill
Joy在获取了UNIX的核心源码后，着手修改成适合自己机器的版本，并且同时增加了很多工具软件与编译程序，最终将其命名为Berkeley
Software Distribution（BSD）。

由于UNIX的高度可移植性与强大的性能，加上当时并没有版权纠纷，所以很多商业公司开始了UNIX操作系统的开发，例如AT&T自己的System
V、IBM的AIX以及HP与DEC等公司，都采用自己的主机与自己的UNIX操作系统。但当时 并没有统一的硬件标准，不同公司生产的硬件
不一样，不同公司开发的的程序 无法兼容使用，只能运行在自己公司生产的硬件里。这个时候也没有人针对个人电脑来开发unix系统。

Windows系统、苹果系统？ 先看一下下图：

一直到1979年，AT&T推出 System V 第七版 Unix ，这个时候开始支持个人电脑。出于商业上的考虑，AT&T决定收回unix的版权，最重要的就是不可对学生提供源代码。学校受到很大的冲击，教学受到影响。

这个时候有一位 Andrew
Tanenbaum（谭邦宁）教授，在1984-1986年间写了一个叫Minix的Unix Like 核心程序；意思为：mini unix，并且与
unix兼容、支持X86 个人电脑。为避免版权纠纷，在编写的时候不看unix的源代码。由于谭邦宁教授
认为Minix主要用在教育事业上，所以对MInix的开发只是点到为止，不能满足用户的需求。在1988年间，Linus Torvalds进入了赫尔辛基大学，选读了计算机科学系。在就学期间，托瓦兹接触到了Unix 这个操作系统，但是使用unix需要等待，其他人使用的时候他就无法使用。他就想“我为什么不自己搞一部Unix玩？”
， 不久之后，他就听说有一个类似 Unix 的系统，和 Unix 完全兼容，还可以在 Intel 386
机器上面跑的操作系统，于是他在购买了最新的 Intel 386 的个人计算机后，就立即安装了 Minix 这个操作系统。

托瓦兹跟在研究Minix的过程中，发现 Minix 虽然真的很棒，但是谭宁邦教授就是不愿意进行功能的加强，导致一堆工程师在操作系统功能上面的欲求不满！ 这个时候年轻的托瓦兹就想：『既然如此，那我何不自己来改写一个我想要的操作系统？』 二是他就开始了核心程序的撰写了。到了1991年，Linus

Torvalds在BBS上面贴了一则消息，宣称他以bash、gcc等工具写了一个小小的核心程序，不过还不够，他希望这个程序可以获得大家的一些修改建议，这个核心程序可以在Intel的386机器上运行。同时提供了下载地址。这让很多人感兴趣，从此便开始了Linux不平凡的路程。

Linux 应用领域

企业服务器 – 企业
      嵌入式 – 手机、个人数字助理(PDA)、消费性电子产品及航空航天等领域中
      桌面- 个人电脑
      其他

Android

2003 安迪·鲁宾创办了Android公司 。Android–基于Linux内核的开放移动操作系统
    2005年，Android公司被Google收购。
    2007年11月5日，谷歌公司正式公布Android操作系统。

苹果公司

Apple-I

Macintosh,简称Mac

微软

Windows timeline history

苹果与微软

1973年施乐公司开发除了Alto——真正意义上的个人PC，有键盘、显示器、图形界面、以太网等。 但是并没有重视。
    1979年，乔布斯听说了Alto，决定去看看，看到以后震惊了，回去就让技术人员去实现图形界面，为此还从施乐挖了好多技术人员，开发Lisa项目;然后最后失败了。但是为后来的Macintosh，积攒了好多经验。
    1980年微软和IBM合作PC系统，微软以捆绑的方式在IBM-PC上预装DOS，廉价销售（5$）许可证。
    1981年，乔布斯邀请盖茨看Macintosh样机，想让微软帮助Macintosh开发应用软件，盖茨看到Macintosh的图形后，也震惊了，心想，这东西要是上市，我的DOS立马完蛋，未来的天下是图形的。不过乔布斯看出了盖茨的信息，就要求微软在给苹果开发软件过程中学到的东西用于任何非苹果的设备上。但是乔布斯忽略了，不让为微软编写类似Macintosh的系统。
盖茨了解到Macintosh效法于施乐，于是也从施乐挖人，开发自己的图形系统——windows。微软把win的研发放在第一位，耽误了Macintosh的发布。 
    1984年Macintosh 发布，风靡世界。
    1985年 windows1.0发布，乔布斯发现win很想Macintosh，就说盖茨偷了苹果的东西。

进程与线程的一个简单解释

进程（process）和线程（thread）是操作系统的基本概念，但是它们比较抽象，不容易掌握。

最近，我读到一篇材料，发现有一个很好的类比，可以把它们解释地清晰易懂。

1.

计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。

2.

假定工厂的电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。

3.

进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。

4.

一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

5.

线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

6.

车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。

7.

可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

8.

一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫“互斥锁”（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。

9.

还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。

10.

这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做“信号量”（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

11.

操作系统的设计，因此可以归结为三点：

（1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；

（2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；

（3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

（完）

摘要地址：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

学习电脑和编程语言就会遇到进程和线程，初学者往往会在此陷入迷茫和纠结中。其实弄清这两个概念不是很难。从一定意义上讲，进程就是一个应用程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念，而线程是进程中的一部分，进程包含多个线程在运行。

通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度。

进程与线程的区别：

进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

1) 简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.

2) 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。

3) 另外，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。

4) 线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

5) 从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

说说优缺点

线程和进程在使用上各有优缺点：线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。同时，线程适合于在SMP(多核处理机)机器上运行，而进程则可以跨机器迁移。

进程的基本状态：

1、就绪（Ready）状态

当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后，只要在获得CPU，便可立即执行，进程这时的状态就称为就绪状态。在一个系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将他们排成一个队列，称为就绪队列。

2、执行状态

进程已获得CPU，其程序正在执行。在单处理机系统中，只有一个进程处于执行状态；再多处理机系统中，则有多个进程处于执行状态。

3、阻塞状态

正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，亦即程序的执行受到阻塞，把这种暂停状态称为阻塞状态，有时也称为等待状态或封锁状态。

三种进程之间的转换图：

几种进程间的通信方式

# 管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
# 有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
# 信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
# 消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
# 信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
#
共享内存( shared memory )
：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC
方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
# 套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

有了进程为什么还要线程？

进程有很多优点，它提供了多道编程，让我们感觉我们每个人都拥有自己的CPU和其他资源，可以提高计算机的利用率。很多人就不理解了，既然进程这么优秀，为什么还要线程呢？其实，仔细观察就会发现进程还是有很多缺陷的，主要体现在两点上：

• 进程只能在一个时间干一件事，如果想同时干两件事或多件事，进程就无能为力了。

• 进程在执行的过程中如果阻塞，例如等待输入，整个进程就会挂起，即使进程中有些工作不依赖于输入的数据，也将无法执行。

例如，我们在使用qq聊天， qq做为一个独立进程如果同一时间只能干一件事，那他如何实现在同一时刻 即能监听键盘输入、又能监听其它人给你发的消息、同时还能把别人发的消息显示在屏幕上呢？你会说，操作系统不是有分时么？但我的亲，分时是指在不同进程间的分时呀， 即操作系统处理一会你的qq任务，又切换到word文档任务上了，每个cpu时间片分给你的qq程序时，你的qq还是只能同时干一件事呀。

再直白一点， 一个操作系统就像是一个工厂，工厂里面有很多个生产车间，不同的车间生产不同的产品，每个车间就相当于一个进程，且你的工厂又穷，供电不足，同一时间只能给一个车间供电，为了能让所有车间都能同时生产，你的工厂的电工只能给不同的车间分时供电，但是轮到你的qq车间时，发现只有一个干活的工人，结果生产效率极低，为了解决这个问题，应该怎么办呢？。。。。没错，你肯定想到了，就是多加几个工人，让几个人工人并行工作，这每个工人，就是线程！

什么是线程

线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。就绪状态是指线程具备运行的所有条件，逻辑上可以运行，在等待处理机；运行状态是指线程占有处理机正在运行；阻塞状态是指线程在等待一个事件（如某个信号量），逻辑上不可执行。每一个程序都至少有一个线程，若程序只有一个线程，那就是程序本身。线程是程序中一个单一的顺序控制流程。进程内一个相对独立的、可调度的执行单元，是系统独立调度和分派CPU的基本单位指运行中的程序的调度单位。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。我是一个线程：http://www.tuicool.com/articles/fER3Mfu 

Python线程

Threading用于提供线程相关的操作，线程是应用程序中工作的最小单元。

threading模块对象

例子：

import threading
import timedef sayhi(num): #定义每个线程要运行的函数    print("running on number:%s" %num)    time.sleep(3)if __name__ == '__main__':    t1 = threading.Thread(target=sayhi,args=(1,)) #生成一个线程实例
    t2 = threading.Thread(target=sayhi,args=(2,)) #生成另一个线程实例    t1.start() #启动线程
    t2.start() #启动另一个线程    print(t1.getName()) #获取线程名
    print(t2.getName())

上述代码创建了10个“前台”线程，然后控制器就交给了CPU，CPU根据指定算法进行调度，分片执行指令。

更多方法：

• start            线程准备就绪，等待CPU调度
• setName      为线程设置名称
• getName      获取线程名称
• setDaemon   设置为后台线程或前台线程（默认）
                     如果是后台线程，主线程执行过程中，后台线程也在进行，主线程执行完毕后，后台线程不论成功与否，均停止
                      如果是前台线程，主线程执行过程中，前台线程也在进行，主线程执行完毕后，等待前台线程也执行完成后，程序停止
• join              逐个执行每个线程，执行完毕后继续往下执行，该方法使得多线程变得无意义
• run              线程被cpu调度后自动执行线程对象的run方法

继承式调用

import threading
import timeclass MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self,num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num    def run(self):#定义每个线程要运行的函数        print("running on number:%s" %self.num)        time.sleep(3)if __name__ == '__main__':    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()

线程锁（Lock、RLock）

由于线程之间是进行随机调度，并且每个线程可能只执行n条执行之后，当多个线程同时修改同一条数据时可能会出现脏数据，所以，出现了线程锁 – 同一时刻允许一个线程执行操作。

请求锁定 — 进入锁定池等待 — 获取锁 — 已锁定 — 释放锁
Lock（指令锁）是可用的最低级的同步指令。Lock处于锁定状态时，不被特定的线程拥有。Lock包含两种状态——锁定和非锁定，以及两个基本的方法。
可以认为Lock有一个锁定池，当线程请求锁定时，将线程至于池中，直到获得锁定后出池。池中的线程处于状态图中的同步阻塞状态。
构造方法：
Lock()
实例方法：
acquire([timeout]): 使线程进入同步阻塞状态，尝试获得锁定。
release(): 释放锁。使用前线程必须已获得锁定，否则将抛出异常。

没有锁

import time
import threadingdef addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    print('--get num:',num )
    time.sleep(1)
    num  -=1 #对此公共变量进行-1操作num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()print('final num:', num )

正常来讲，这个num结果应该是0， 但在python 2.7上多运行几次，会发现，最后打印出来的num结果不总是0，为什么每次运行的结果不一样呢？ 哈，很简单，假设你有A,B两个线程，此时都 要对num 进行减1操作， 由于2个线程是并发同时运行的，所以2个线程很有可能同时拿走了num=100这个初始变量交给cpu去运算，当A线程去处完的结果是99，但此时B线程运算完的结果也是99，两个线程同时CPU运算的结果再赋值给num变量后，结果就都是99。那怎么办呢？ 很简单，每个线程在要修改公共数据时，为了避免自己在还没改完的时候别人也来修改此数据，可以给这个数据加一把锁， 这样其它线程想修改此数据时就必须等待你修改完毕并把锁释放掉后才能再访问此数据。

*注：不要在3.x上运行，不知为什么，3.x上的结果总是正确的，可能是自动加了锁

加锁版本

import time
import threadingdef addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    print('--get num:',num )
    time.sleep(1)
    lock.acquire() #修改数据前加锁
    num  -=1 #对此公共变量进行-1操作
    lock.release() #修改后释放num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
lock = threading.Lock() #生成全局锁
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()print('final num:', num )

RLock（递归锁）

RLock（可重入锁）是一个可以被同一个线程请求多次的同步指令。RLock使用了“拥有的线程”和“递归等级”的概念，处于锁定状态时，RLock被某个线程拥有。拥有RLock的线程可以再次调用acquire()，释放锁时需要调用release()相同次数。
可以认为RLock包含一个锁定池和一个初始值为0的计数器，每次成功调用 acquire()/release()，计数器将+1/-1，为0时锁处于未锁定状态。
构造方法：
RLock()

说白了就是在一个大锁中还要再包含子锁

import threading,timedef run1():
    print("grab the first part data")
    lock.acquire()
    global num
    num +=1
    lock.release()
    return num
def run2():
    print("grab the second part data")
    lock.acquire()
    global  num2
    num2+=1
    lock.release()
    return num2
def run3():
    lock.acquire()
    res = run1()
    print('--------between run1 and run2-----')
    res2 = run2()
    lock.release()
    print(res,res2)if __name__ == '__main__':    num,num2 = 0,0
    lock = threading.RLock()
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=run3)
        t.start()while threading.active_count() != 1:
    print(threading.active_count())
else:
    print('----all threads done---')
    print(num,num2)

信号量（Semaphore）

互斥锁 同时只允许一个线程更改数据，而Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据 ，比如厕所有3个坑，那最多只允许3个人上厕所，后面的人只能等里面有人出来了才能再进去。

import threading,timedef run(n):
    semaphore.acquire()
    time.sleep(1)
    print("run the thread: %s\n" %n)
    semaphore.release()if __name__ == '__main__':    num= 0
    semaphore  = threading.BoundedSemaphore(5) #最多允许5个线程同时运行
    for i in range(20):
        t = threading.Thread(target=run,args=(i,))
        t.start()while threading.active_count() != 1:
    pass #print threading.active_count()
else:
    print('----all threads done---')
    print(num)

事件（event）

python线程的事件用于主线程控制其他线程的执行，事件主要提供了三个方法 set、wait、clear。

Event内部包含了一个标志位，初始的时候为false。
可以使用使用set()来将其设置为true；
或者使用clear()将其从新设置为false；
可以使用is_set()来检查标志位的状态；
另一个最重要的函数就是wait(timeout=None)，用来阻塞当前线程，直到event的内部标志位被设置为true或者timeout超时。如果内部标志位为true则wait()函数理解返回。

事件处理的机制：全局定义了一个“Flag”，如果“Flag”值为 False，那么当程序执行 event.wait 方法时就会阻塞，如果“Flag”值为True，那么event.wait 方法时便不再阻塞。

• clear：将“Flag”设置为False
• set：将“Flag”设置为True

通过Event来实现两个或多个线程间的交互，下面是一个红绿灯的例子，即起动一个线程做交通指挥灯，生成几个线程做车辆，车辆行驶按红灯停，绿灯行的规则。

import threading,time
import random
def light():
    if not event.isSet():
        event.set() #wait就不阻塞 #绿灯状态
    count = 0
    while True:
        if count < 10:
            print('\033[42;1m--green light on---\033[0m')
        elif count <13:
            print('\033[43;1m--yellow light on---\033[0m')
        elif count <20:
            if event.isSet():
                event.clear()
            print('\033[41;1m--red light on---\033[0m')
        else:
            count = 0
            event.set() #打开绿灯
        time.sleep(1)
        count +=1
def car(n):
    while 1:
        time.sleep(random.randrange(10))
        if  event.isSet(): #绿灯
            print("car [%s] is running.." % n)
        else:
            print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)
if __name__ == '__main__':
    event = threading.Event()
    Light = threading.Thread(target=light)
    Light.start()
    for i in range(3):
        t = threading.Thread(target=car,args=(i,))
        t.start()

这里还有一个event使用的例子，员工进公司门要刷卡， 我们这里设置一个线程是“门”， 再设置几个线程为“员工”，员工看到门没打开，就刷卡，刷完卡，门开了，员工就可以通过。

#_*_coding:utf-8_*_
__author__ = 'Alex Li'
import threading
import time
import randomdef door():
    door_open_time_counter = 0
    while True:
        if door_swiping_event.is_set():
            print("\033[32;1mdoor opening....\033[0m")
            door_open_time_counter +=1        else:
            print("\033[31;1mdoor closed...., swipe to open.\033[0m")
            door_open_time_counter = 0 #清空计时器
            door_swiping_event.wait()        if door_open_time_counter > 3:#门开了已经3s了,该关了
            door_swiping_event.clear()        time.sleep(0.5)def staff(n):    print("staff [%s] is comming..." % n )
    while True:
        if door_swiping_event.is_set():
            print("\033[34;1mdoor is opened, passing.....\033[0m")
            break
        else:
            print("staff [%s] sees door got closed, swipping the card....." % n)
            print(door_swiping_event.set())
            door_swiping_event.set()
            print("after set ",door_swiping_event.set())
        time.sleep(0.5)
door_swiping_event  = threading.Event() #设置事件door_thread = threading.Thread(target=door)
door_thread.start()for i in range(5):
    p = threading.Thread(target=staff,args=(i,))
    time.sleep(random.randrange(3))
    p.start()

条件（Condition）

可以把Condition理解为一把高级的琐，它提供了比Lock, RLock更高级的功能，允许我们能够控制复杂的线程同步问题。threadiong.Condition在内部维护一个琐对象（默认是RLock），可以在创建Condigtion对象的时候把琐对象作为参数传入。Condition也提供了acquire, release方法，其含义与琐的acquire, release方法一致，其实它只是简单的调用内部琐对象的对应的方法而已。Condition还提供了如下方法(特别要注意：这些方法只有在占用琐(acquire)之后才能调用，否则将会报RuntimeError异常。)：

Condition.wait([timeout]):
wait方法释放内部所占用的琐，同时线程被挂起，直至接收到通知被唤醒或超时（如果提供了timeout参数的话）。当线程被唤醒并重新占有琐的时候，程序才会继续执行下去。

Condition.notify():
唤醒一个挂起的线程（如果存在挂起的线程）。注意：notify()方法不会释放所占用的琐。

Condition.notify_all()
Condition.notifyAll()
唤醒所有挂起的线程（如果存在挂起的线程）。注意：这些方法不会释放所占用的琐。

使得线程等待，只有满足某条件时，才释放n个线程

import threadingdef run(n):
    con.acquire()
    con.wait()
    print("run the thread: %s" %n)
    con.release()if __name__ == '__main__':    con = threading.Condition()
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=run, args=(i,))
        t.start()    while True:
        inp = input('>>>')
        if inp == 'q':
            break
        con.acquire()
        con.notify(int(inp))
        con.release()def condition_func():    ret = False
    inp = input('>>>')
    if inp == '1':
        ret = True    return retdef run(n):
    con.acquire()
    con.wait_for(condition_func)
    print("run the thread: %s" %n)
    con.release()if __name__ == '__main__':    con = threading.Condition()
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=run, args=(i,))
        t.start()

Timer

定时器，指定n秒后执行某操作

def hello():
    print("hello, world")t = Timer(30.0, hello)
t.start()  # after 30 seconds, "hello, world" will be printed

queue队列

初识Queue模块

Queue 模块实现了多生产者、多消费者队列。它特别适用于信息必须在多个线程间安全地交换的多线程程序中。这个模块中的 Queue 类实现了所有必须的锁语义。它依赖于 Python 中的线程支持的可用性；参见threading 模块。

模块实现了三类队列，主要差别在于取得数据的顺序上。在FIFO（First In First Out，先进先出）队列中，最早加入的任务会被最先得到。在LIFO（Last In First Out，后进先出）队列中，最后加入的任务会被最先得到（就像栈一样）。在优先队列中，任务被保持有序（使用heapq模块），拥有最小值的任务（优先级最高）被最先得到。

模块实现了三类队列：FIFO（First In First Out，先进先出，默认为该队列）、LIFO（Last In First Out，后进先出）、基于优先级的队列。以下为其常用方法：

    先进先出  q = Queue.Queue(maxsize)
    后进先出  a = Queue.LifoQueue(maxsize)
    优先级  Queue.PriorityQueue(maxsize)
    Queue.qsize() 返回队列的大小
    Queue.empty() 如果队列为空，返回True,反之False
    Queue.full() 如果队列满了，返回True,反之False
    Queue.full 与 maxsize 大小对应
    Queue.put(item) 写入队列，timeout等待时间   非阻塞
    Queue.get([block[, timeout]]) 获取队列，timeout等待时间
    Queue.get_nowait() 相当Queue.get(False)
    Queue.put_nowait(item) 相当Queue.put(item, False)
    Queue.task_done() 在完成一项工作之后，函数向任务已经完成的队列发送一个信号
    Queue.join()： 实际上意味着等到队列为空，再执行别的操作

Queue 模块定义了下列的类和异常：

class Queue.Queue(maxsize=0)

构造一个FIFO队列。maxsize是个整数，指明了队列中能存放的数据个数的上限。一旦达到上限，插入会导致阻塞，直到队列中的数据被消费掉。如果maxsize小于或者等于0，队列大小没有限制。定义队列时有一个默认的参数maxsize, 如果不指定队列的长度，即manxsize=0,那么队列的长度为无限长，如果定义了大于0的值，那么队列的长度就是maxsize。

class Queue.LifoQueue(maxsize=0)

构造一个LIFO队列。maxsize是个整数，指明了队列中能存放的数据个数的上限。一旦达到上限，插入会导致阻塞，直到队列中的数据被消费掉。如果maxsize小于或者等于0，队列大小没有限制。

出现于版本2.6.

class Queue.PriorityQueue(maxsize=0)

构造一个优先队列。maxsize是个整数，指明了队列中能存放的数据个数的上限。一旦达到上限，插入会导致阻塞，直到队列中的数据被消费掉。如果maxsize小于或者等于0，队列大小没有限制。

拥有最小值的任务会被最先得到（sorted(list(entries))[0]的返回值即为拥有最小值的任务）。任务的典型模式就是如(priority_number, data)这样的元组。

出现于版本2.6.

exception Queue.Empty

在空的Queue对象上调用非阻塞的get()（或者get_nowait()）会抛出此异常。

exception Queue.Full

在满的Queue对象上调用非阻塞的put()（或者put_nowait()）会抛出此异常。

参见

collections.deque是无上限的队列的替换实现，有着快速的原子append()和popleft()操作，且不需要锁。