Python進階(三十四)-Python

2020 年 1 月 13 日
筆記

Python進階(三十四)-Python3多線程解讀

線程講解

多線程類似於同時執行多個不同程序，多線程運行有如下優點：

使用線程可以把佔據長時間的程序中的任務放到後台去處理。
用戶界面可以更加吸引人，這樣比如用戶點擊了一個按鈕去觸發某些事件的處理，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。
在一些等待的任務實現上如用戶輸入、文件讀寫和網絡收發數據等，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存佔用等等。

線程在執行過程中與進程還是有區別的。每個獨立的線程有一個程序運行的入口、順序執行序列和程序的出口。但是線程不能夠獨立執行，必須依存在應用程序中，由應用程序提供多個線程執行控制。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。 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，線程總是在進程的上下文中運行的，這些地址都用於標誌擁有線程的進程地址空間中的內存。線程可以被搶佔（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:

內核線程：由操作系統內核創建和撤銷。
用戶線程：不需要內核支持而在用戶程序中實現的線程。

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：函數或者用類來包裝線程對象。函數式：調用 _thread 模塊中的start_new_thread()函數來產生新線程。語法如下:

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

參數說明:

function – 線程函數。
args – 傳遞給線程函數的參數,他必須是個tuple類型。
kwargs – 可選參數。

實例：

#!/usr/bin/python3    import _thread  import time    # 為線程定義一個函數  def print_time( threadName, delay):      count = 0      while count < 5:          time.sleep(delay)          count += 1          print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))    # 創建兩個線程  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

執行以上程序輸出結果如下：

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，它相比於 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後、結束前，不包括啟動前和終止後的線程。
threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數量，與len(threading.enumerate())有相同的結果。

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。這阻塞調用線程直至線程的join() 方法被調用中止-正常退出或者拋出未處理的異常-或者是可選的超時發生。
isAlive(): 返回線程是否活動的。
getName(): 返回線程名。
setName(): 設置線程名。

使用 threading 模塊創建線程

我們可以通過直接從 threading.Thread 繼承創建一個新的子類，並實例化後調用 start() 方法啟動新線程，即它調用了線程的 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 ("開始線程：" + self.name)          print_time(self.name, self.counter, 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")

以上程序執行結果如下：

線程同步

如果多個線程共同對某個數據修改，則可能出現不可預料的結果，為了保證數據的正確性，需要對多個線程進行同步。使用 Thread 對象的 Lock 和 Rlock 可以實現簡單的線程同步，這兩個對象都有 acquire 方法和 release 方法，對於那些需要每次只允許一個線程操作的數據，可以將其操作放到 acquire 和 release 方法之間。如下：多線程的優勢在於可以同時運行多個任務（至少感覺起來是這樣）。但是當線程需要共享數據時，可能存在數據不同步的問題。考慮這樣一種情況：一個列表裡所有元素都是0，線程」set」從後向前把所有元素改成1，而線程」print」負責從前往後讀取列表並打印。那麼，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，這就是數據的不同步。為了避免這種情況，引入了鎖的概念。鎖有兩種狀態——鎖定和未鎖定。每當一個線程比如」set」要訪問共享數據時，必須先獲得鎖定；如果已經有別的線程比如」print」獲得鎖定了，那麼就讓線程」set」暫停，也就是同步阻塞；等到線程」print」訪問完畢，釋放鎖以後，再讓線程」set」繼續。經過這樣的處理，打印列表時要麼全部輸出0，要麼全部輸出1，不會再出現一半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, counter):          threading.Thread.__init__(self)          self.threadID = threadID          self.name = name          self.counter = counter      def run(self):          print ("開啟線程： " + self.name)          # 獲取鎖，用於線程同步          threadLock.acquire()          print_time(self.name, self.counter, 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")

執行以上程序，輸出結果為：

線程優先級隊列（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（後入先出）隊列LifoQueue，和優先級隊列 PriorityQueue。這些隊列都實現了鎖原語，能夠在多線程中直接使用，可以使用隊列來實現線程間的同步。 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
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() 在完成一項工作之後，Queue.task_done()函數向任務已經完成的隊列發送一個信號
Queue.join() 實際上意味着等到隊列為空，再執行別的操作

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")

以上程序執行結果：

延伸閱讀

有關線程與進程的區別、線程鎖的具體內容詳見博文《劍指Offer——知識點儲備-Java基礎》、《Java進階(四十三)線程與進程的區別》、《Java進階(四十四)線程與進程的特徵及區別》。