Python3 多线程

我会带着你远行 2022-02-04 15:57 303阅读 0赞

多线程类似于同时执行多个不同程序，多线程运行有如下优点：

*  使用线程可以把占据长时间的程序中的任务放到后台去处理。
 *  用户界面可以更加吸引人，比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度
 *  程序的运行速度可能加快
 *  在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，线程就比较有用了。在这种情况下我们可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。

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。

每个线程都有他自己的一组CPU寄存器，称为线程的上下文，该上下文反映了线程上次运行该线程的CPU寄存器的状态。

指令指针和堆栈指针寄存器是线程上下文中两个最重要的寄存器，线程总是在进程得到上下文中运行的，这些地址都用于标志拥有线程的进程地址空间中的内存。

*  线程可以被抢占（中断）。
 *  在其他线程正在运行时，线程可以暂时搁置（也称为睡眠） -- 这就是线程的退让。

线程可以分为:

*  **内核线程：**由操作系统内核创建和撤销。
 *  **用户线程：**不需要内核支持而在用户程序中实现的线程。

Python3 线程中常用的两个模块为：

*  **\_thread**
 *  **threading(推荐使用)**

thread 模块已被废弃。用户可以使用 threading 模块代替。所以，在 Python3 中不能再使用"thread" 模块。为了兼容性，Python3 将 thread 重命名为 "\_thread"。

## 开始学习Python线程 ##

Python中使用线程有两种方式：函数或者用类来包装线程对象。

函数式：调用 \_thread 模块中的start\_new\_thread()函数来产生新线程。语法如下:

_thread.start_new_thread ( function, args[, kwargs] )

参数说明:

*  function - 线程函数。
 *  args - 传递给线程函数的参数,他必须是个tuple类型。
 *  kwargs - 可选参数。

实例：

#!/usr/bin/python3
    
    import _thread
    import time
    
    # 为线程定义一个函数
    def print_time( threadName, delay):
       count = 0
       while count < 5:
          time.sleep(delay)
          count += 1
          print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))
    
    # 创建两个线程
    try:
       _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
       _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
    except:
       print ("Error: 无法启动线程")
    
    while 1:
       pass

执行以上程序输出结果如下：

Thread-1: Wed Apr  6 11:36:31 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:36:33 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:36:33 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:36:35 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:36:37 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:36:37 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:36:39 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:36:41 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:36:45 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:36:49 2016

执行以上程后可以按下 ctrl-c to 退出。

## 线程模块 ##

Python3 通过两个标准库 \_thread 和 threading 提供对线程的支持。

\_thread 提供了低级别的、原始的线程以及一个简单的锁，它相比于 threading 模块的功能还是比较有限的。

threading 模块除了包含 \_thread 模块中的所有方法外，还提供的其他方法：

*  threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。
 *  threading.enumerate(): 返回一个包含正在运行的线程的list。正在运行指线程启动后、结束前，不包括启动前和终止后的线程。
 *  threading.activeCount(): 返回正在运行的线程数量，与len(threading.enumerate())有相同的结果。

除了使用方法外，线程模块同样提供了Thread类来处理线程，Thread类提供了以下方法:

*  **run():** 用以表示线程活动的方法。
 *  **start():**启动线程活动。
 *  **join(\[time\]):** 等待至线程中止。这阻塞调用线程直至线程的join() 方法被调用中止-正常退出或者抛出未处理的异常-或者是可选的超时发生。
 *  **isAlive():** 返回线程是否活动的。
 *  **getName():** 返回线程名。
 *  **setName():** 设置线程名。

## 使用 threading 模块创建线程 ##

我们可以通过直接从 threading.Thread 继承创建一个新的子类，并实例化后调用 start() 方法启动新线程，即它调用了线程的 run() 方法：

#!/usr/bin/python3
    
    import threading
    import time
    
    exitFlag = 0
    
    class myThread (threading.Thread):
        def __init__(self, threadID, name, counter):
            threading.Thread.__init__(self)
            self.threadID = threadID
            self.name = name
            self.counter = counter
        def run(self):
            print ("开始线程：" + self.name)
            print_time(self.name, self.counter, 5)
            print ("退出线程：" + self.name)
    
    def print_time(threadName, delay, counter):
        while counter:
            if exitFlag:
                threadName.exit()
            time.sleep(delay)
            print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())))
            counter -= 1
    
    # 创建新线程
    thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
    thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)
    
    # 开启新线程
    thread1.start()
    thread2.start()
    thread1.join()
    thread2.join()
    print ("退出主线程")

以上程序执行结果如下；

开始线程：Thread-1
    开始线程：Thread-2
    Thread-1: Wed Apr  6 11:46:46 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:46:47 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:46:47 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:46:48 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:46:49 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:46:49 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:46:50 2016
    退出线程：Thread-1
    Thread-2: Wed Apr  6 11:46:51 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:46:53 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:46:55 2016
    退出线程：Thread-2
    退出主线程

## 线程同步 ##

如果多个线程共同对某个数据修改，则可能出现不可预料的结果，为了保证数据的正确性，需要对多个线程进行同步。

使用 Thread 对象的 Lock 和 Rlock 可以实现简单的线程同步，这两个对象都有 acquire 方法和 release 方法，对于那些需要每次只允许一个线程操作的数据，可以将其操作放到 acquire 和 release 方法之间。如下：

多线程的优势在于可以同时运行多个任务（至少感觉起来是这样）。但是当线程需要共享数据时，可能存在数据不同步的问题。

考虑这样一种情况：一个列表里所有元素都是0，线程"set"从后向前把所有元素改成1，而线程"print"负责从前往后读取列表并打印。

那么，可能线程"set"开始改的时候，线程"print"便来打印列表了，输出就成了一半0一半1，这就是数据的不同步。为了避免这种情况，引入了锁的概念。

锁有两种状态——锁定和未锁定。每当一个线程比如"set"要访问共享数据时，必须先获得锁定；如果已经有别的线程比如"print"获得锁定了，那么就让线程"set"暂停，也就是同步阻塞；等到线程"print"访问完毕，释放锁以后，再让线程"set"继续。

经过这样的处理，打印列表时要么全部输出0，要么全部输出1，不会再出现一半0一半1的尴尬场面。

实例：

#!/usr/bin/python3
    
    import threading
    import time
    
    class myThread (threading.Thread):
        def __init__(self, threadID, name, counter):
            threading.Thread.__init__(self)
            self.threadID = threadID
            self.name = name
            self.counter = counter
        def run(self):
            print ("开启线程： " + self.name)
            # 获取锁，用于线程同步
            threadLock.acquire()
            print_time(self.name, self.counter, 3)
            # 释放锁，开启下一个线程
            threadLock.release()
    
    def print_time(threadName, delay, counter):
        while counter:
            time.sleep(delay)
            print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())))
            counter -= 1
    
    threadLock = threading.Lock()
    threads = []
    
    # 创建新线程
    thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
    thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)
    
    # 开启新线程
    thread1.start()
    thread2.start()
    
    # 添加线程到线程列表
    threads.append(thread1)
    threads.append(thread2)
    
    # 等待所有线程完成
    for t in threads:
        t.join()
    print ("退出主线程")

执行以上程序，输出结果为：

开启线程： Thread-1
    开启线程： Thread-2
    Thread-1: Wed Apr  6 11:52:57 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:52:58 2016
    Thread-1: Wed Apr  6 11:52:59 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:53:01 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:53:03 2016
    Thread-2: Wed Apr  6 11:53:05 2016
    退出主线程

## 线程优先级队列（ Queue） ##

Python 的 Queue 模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO（先入先出)队列Queue，LIFO（后入先出）队列LifoQueue，和优先级队列 PriorityQueue。

这些队列都实现了锁原语，能够在多线程中直接使用，可以使用队列来实现线程间的同步。

Queue 模块中的常用方法:

*  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.get(\[block\[, timeout\]\])获取队列，timeout等待时间
 *  Queue.get\_nowait() 相当Queue.get(False)
 *  Queue.put(item) 写入队列，timeout等待时间
 *  Queue.put\_nowait(item) 相当Queue.put(item, False)
 *  Queue.task\_done() 在完成一项工作之后，Queue.task\_done()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

实例:

#!/usr/bin/python3
    
    import queue
    import threading
    import time
    
    exitFlag = 0
    
    class myThread (threading.Thread):
        def __init__(self, threadID, name, q):
            threading.Thread.__init__(self)
            self.threadID = threadID
            self.name = name
            self.q = q
        def run(self):
            print ("开启线程：" + self.name)
            process_data(self.name, self.q)
            print ("退出线程：" + self.name)
    
    def process_data(threadName, q):
        while not exitFlag:
            queueLock.acquire()
            if not workQueue.empty():
                data = q.get()
                queueLock.release()
                print ("%s processing %s" % (threadName, data))
            else:
                queueLock.release()
            time.sleep(1)
    
    threadList = ["Thread-1", "Thread-2", "Thread-3"]
    nameList = ["One", "Two", "Three", "Four", "Five"]
    queueLock = threading.Lock()
    workQueue = queue.Queue(10)
    threads = []
    threadID = 1
    
    # 创建新线程
    for tName in threadList:
        thread = myThread(threadID, tName, workQueue)
        thread.start()
        threads.append(thread)
        threadID += 1
    
    # 填充队列
    queueLock.acquire()
    for word in nameList:
        workQueue.put(word)
    queueLock.release()
    
    # 等待队列清空
    while not workQueue.empty():
        pass
    
    # 通知线程是时候退出
    exitFlag = 1
    
    # 等待所有线程完成
    for t in threads:
        t.join()
    print ("退出主线程")

以上程序执行结果：

开启线程：Thread-1
    开启线程：Thread-2
    开启线程：Thread-3
    Thread-3 processing One
    Thread-1 processing Two
    Thread-2 processing Three
    Thread-3 processing Four
    Thread-1 processing Five
    退出线程：Thread-3
    退出线程：Thread-2
    退出线程：Thread-1
    退出主线程