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Python3 多線程
多線程類似于同時執(zhí)行多個不同程序，多線程運行有如下優(yōu)點：
- 使用線程可以把占據(jù)長時間的程序中的任務(wù)放到后臺去處理。
- 用戶界面可以更加吸引人，比如用戶點擊了一個按鈕去觸發(fā)某些事件的處理，可以彈出一個進度條來顯示處理的進度。
- 程序的運行速度可能加快。
- 在一些等待的任務(wù)實現(xiàn)上如用戶輸入、文件讀寫和網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)等，線程就比較有用了。在這種情況下我們可以釋放一些珍貴的資源如內(nèi)存占用等等。
每個獨立的線程有一個程序運行的入口、順序執(zhí)行序列和程序的出口。但是線程不能夠獨立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制。
每個線程都有他自己的一組CPU寄存器，稱為線程的上下文，該上下文反映了線程上次運行該線程的CPU寄存器的狀態(tài)。
指令指針和堆棧指針寄存器是線程上下文中兩個最重要的寄存器，線程總是在進程得到上下文中運行的，這些地址都用于標志擁有線程的進程地址空間中的內(nèi)存。
- 線程可以被搶占（中斷）。
- 在其他線程正在運行時，線程可以暫時擱置（也稱為睡眠） -- 這就是線程的退讓。
線程可以分為:
- 內(nèi)核線程：由操作系統(tǒng)內(nèi)核創(chuàng)建和撤銷。
- 用戶線程：不需要內(nèi)核支持而在用戶程序中實現(xiàn)的線程。
Python3 線程中常用的兩個模塊為：
- _thread
- threading(推薦使用)
thread 模塊已被廢棄。用戶可以使用 threading 模塊代替。所以，在 Python3 中不能再使用"thread" 模塊。為了兼容性，Python3 將 thread 重命名為 "_thread"。
開始學習Python線程
Python中使用線程有兩種方式：函數(shù)或者用類來包裝線程對象。
函數(shù)式：調(diào)用 _thread 模塊中的start_new_thread()函數(shù)來產(chǎn)生新線程。語法如下:
_thread.start_new_thread ( function, args[, kwargs] )
參數(shù)說明:
- function - 線程函數(shù)。
- args - 傳遞給線程函數(shù)的參數(shù),他必須是個tuple類型。
- kwargs - 可選參數(shù)。
實例
#!/usr/bin/python3
import _thread
import
time
# 為線程定義一個函數(shù)
def print_time
( threadName
, delay
):
count
=
0
while count
<
5:
time.
sleep
(delay
)
count +
=
1
print
(
"%s: %s" %
( threadName
,
time.
ctime
(
time.
time
(
)
)
)
)
# 創(chuàng)建兩個線程
try:
_thread.
start_new_thread
( print_time
,
(
"Thread-1"
,
2
,
)
)
_thread.
start_new_thread
( print_time
,
(
"Thread-2"
,
4
,
)
)
except:
print
(
"Error: 無法啟動線程"
)
while
1:
pass
執(zhí)行以上程序輸出結(jié)果如下：
Thread-1: Wed Jan 5 17:38:08 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:38:10 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:38:10 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:38:12 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:38:14 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:38:14 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:38:16 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:38:18 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:38:22 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:38:26 2022
執(zhí)行以上程后可以按下 ctrl-c 退出。
線程模塊
Python3 通過兩個標準庫 _thread 和 threading 提供對線程的支持。
_thread 提供了低級別的、原始的線程以及一個簡單的鎖，它相比于 threading 模塊的功能還是比較有限的。
threading 模塊除了包含 _thread 模塊中的所有方法外，還提供的其他方法：
- threading.currentThread(): 返回當前的線程變量。
- threading.enumerate(): 返回一個包含正在運行的線程的list。正在運行指線程啟動后、結(jié)束前，不包括啟動前和終止后的線程。
- threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數(shù)量，與len(threading.enumerate())有相同的結(jié)果。
除了使用方法外，線程模塊同樣提供了Thread類來處理線程，Thread類提供了以下方法:
- run(): 用以表示線程活動的方法。
- start():啟動線程活動。
- join([time]): 等待至線程中止。這阻塞調(diào)用線程直至線程的join() 方法被調(diào)用中止-正常退出或者拋出未處理的異常-或者是可選的超時發(fā)生。
- isAlive(): 返回線程是否活動的。
- getName(): 返回線程名。
- setName(): 設(shè)置線程名。
使用 threading 模塊創(chuàng)建線程
我們可以通過直接從 threading.Thread 繼承創(chuàng)建一個新的子類，并實例化后調(diào)用 start() 方法啟動新線程，即它調(diào)用了線程的 run() 方法：
實例
#!/usr/bin/python3
import
threading
import
time
exitFlag
=
0
class myThread
(
threading.
Thread
):
def
__init__
(
self
, threadID
, name
, delay
):
threading.
Thread.
__init__
(
self
)
self.
threadID
= threadID
self.
name
= name
self.
delay
= delay
def run
(
self
):
print
(
"開始線程：" +
self.
name
)
print_time
(
self.
name
,
self.
delay
,
5
)
print
(
"退出線程：" +
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
# 創(chuàng)建新線程
thread1
= myThread
(
1
,
"Thread-1"
,
1
)
thread2
= myThread
(
2
,
"Thread-2"
,
2
)
# 開啟新線程
thread1.
start
(
)
thread2.
start
(
)
thread1.
join
(
)
thread2.
join
(
)
print
(
"退出主線程"
)
以上程序執(zhí)行結(jié)果如下；
開始線程：Thread-1 開始線程：Thread-2 Thread-1: Wed Jan 5 17:34:54 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:34:55 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:34:55 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:34:56 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:34:57 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:34:57 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:34:58 2022 退出線程：Thread-1 Thread-2: Wed Jan 5 17:34:59 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:35:01 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:35:03 2022 退出線程：Thread-2 退出主線程
線程同步
如果多個線程共同對某個數(shù)據(jù)修改，則可能出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，需要對多個線程進行同步。
使用 Thread 對象的 Lock 和 Rlock 可以實現(xiàn)簡單的線程同步，這兩個對象都有 acquire 方法和 release 方法，對于那些需要每次只允許一個線程操作的數(shù)據(jù)，可以將其操作放到 acquire 和 release 方法之間。如下：
多線程的優(yōu)勢在于可以同時運行多個任務(wù)（至少感覺起來是這樣）。但是當線程需要共享數(shù)據(jù)時，可能存在數(shù)據(jù)不同步的問題。
考慮這樣一種情況：一個列表里所有元素都是0，線程"set"從后向前把所有元素改成1，而線程"print"負責從前往后讀取列表并打印。
那么，可能線程"set"開始改的時候，線程"print"便來打印列表了，輸出就成了一半0一半1，這就是數(shù)據(jù)的不同步。為了避免這種情況，引入了鎖的概念。
鎖有兩種狀態(tài)——鎖定和未鎖定。每當一個線程比如"set"要訪問共享數(shù)據(jù)時，必須先獲得鎖定；如果已經(jīng)有別的線程比如"print"獲得鎖定了，那么就讓線程"set"暫停，也就是同步阻塞；等到線程"print"訪問完畢，釋放鎖以后，再讓線程"set"繼續(xù)。
經(jīng)過這樣的處理，打印列表時要么全部輸出0，要么全部輸出1，不會再出現(xiàn)一半0一半1的尷尬場面。
實例
#!/usr/bin/python3
import
threading
import
time
class myThread
(
threading.
Thread
):
def
__init__
(
self
, threadID
, name
, delay
):
threading.
Thread.
__init__
(
self
)
self.
threadID
= threadID
self.
name
= name
self.
delay
= delay
def run
(
self
):
print
(
"開啟線程： " +
self.
name
)
# 獲取鎖，用于線程同步
threadLock.
acquire
(
)
print_time
(
self.
name
,
self.
delay
,
3
)
# 釋放鎖，開啟下一個線程
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
=
[
]
# 創(chuàng)建新線程
thread1
= myThread
(
1
,
"Thread-1"
,
1
)
thread2
= myThread
(
2
,
"Thread-2"
,
2
)
# 開啟新線程
thread1.
start
(
)
thread2.
start
(
)
# 添加線程到線程列表
threads.
append
(thread1
)
threads.
append
(thread2
)
# 等待所有線程完成
for t
in threads:
t.
join
(
)
print
(
"退出主線程"
)
執(zhí)行以上程序，輸出結(jié)果為：
開啟線程： Thread-1 開啟線程： Thread-2 Thread-1: Wed Jan 5 17:36:50 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:36:51 2022 Thread-1: Wed Jan 5 17:36:52 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:36:54 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:36:56 2022 Thread-2: Wed Jan 5 17:36:58 2022 退出主線程
線程優(yōu)先級隊列（ Queue）
Python 的 Queue 模塊中提供了同步的、線程安全的隊列類，包括FIFO（先入先出)隊列Queue，LIFO（后入先出）隊列LifoQueue，和優(yōu)先級隊列 PriorityQueue。
這些隊列都實現(xiàn)了鎖原語，能夠在多線程中直接使用，可以使用隊列來實現(xiàn)線程間的同步。
Queue 模塊中的常用方法:
- Queue.qsize() 返回隊列的大小
- Queue.empty() 如果隊列為空，返回True,反之False
- Queue.full() 如果隊列滿了，返回True,反之False
- Queue.full 與 maxsize 大小對應(yīng)
- Queue.get([block[, timeout]])獲取隊列，timeout等待時間
- Queue.get_nowait() 相當Queue.get(False)
- Queue.put(item) 寫入隊列，timeout等待時間
- Queue.put_nowait(item) 相當Queue.put(item, False)
- Queue.task_done() 在完成一項工作之后，Queue.task_done()函數(shù)向任務(wù)已經(jīng)完成的隊列發(fā)送一個信號
- Queue.join() 實際上意味著等到隊列為空，再執(zhí)行別的操作
實例
#!/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
(
"開啟線程：" +
self.
name
)
process_data
(
self.
name
,
self.
q
)
print
(
"退出線程：" +
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
# 創(chuàng)建新線程
for tName
in threadList:
thread
= myThread
(threadID
, tName
, workQueue
)
thread.
start
(
)
threads.
append
(
thread
)
threadID +
=
1
# 填充隊列
queueLock.
acquire
(
)
for word
in nameList:
workQueue.
put
(word
)
queueLock.
release
(
)
# 等待隊列清空
while
not workQueue.
empty
(
):
pass
# 通知線程是時候退出
exitFlag
=
1
# 等待所有線程完成
for t
in threads:
t.
join
(
)
print
(
"退出主線程"
)
以上程序執(zhí)行結(jié)果：
開啟線程：Thread-1 開啟線程：Thread-2 開啟線程：Thread-3 Thread-3 processing One Thread-1 processing Two Thread-2 processing Three Thread-3 processing Four Thread-1 processing Five 退出線程：Thread-3 退出線程：Thread-2 退出線程：Thread-1 退出主線程
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