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优设大课堂Python3 多线程
Python3 多线程
日期：2022-07-07
本文字数：840 字 阅读完需：约 5 分钟
Python3 多线程
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。
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:
1_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：
1Thread-1: Wed Jan 5 17:38:08 2022 2Thread-2: Wed Jan 5 17:38:10 2022 3Thread-1: Wed Jan 5 17:38:10 2022 4Thread-1: Wed Jan 5 17:38:12 2022 5Thread-2: Wed Jan 5 17:38:14 2022 6Thread-1: Wed Jan 5 17:38:14 2022 7Thread-1: Wed Jan 5 17:38:16 2022 8Thread-2: Wed Jan 5 17:38:18 2022 9Thread-2: Wed Jan 5 17:38:22 2022 10Thread-2: Wed Jan 5 17:38:26 2022
执行以上程后可以按下 ctrl-c 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：
实例
#!/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 ( "开始线程：" + self. name )
print_time ( self. name , self. delay , 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；
1开始线程：Thread-1 2开始线程：Thread-2 3Thread-1: Wed Jan 5 17:34:54 2022 4Thread-2: Wed Jan 5 17:34:55 2022 5Thread-1: Wed Jan 5 17:34:55 2022 6Thread-1: Wed Jan 5 17:34:56 2022 7Thread-2: Wed Jan 5 17:34:57 2022 8Thread-1: Wed Jan 5 17:34:57 2022 9Thread-1: Wed Jan 5 17:34:58 2022 10退出线程：Thread-1 11Thread-2: Wed Jan 5 17:34:59 2022 12Thread-2: Wed Jan 5 17:35:01 2022 13Thread-2: Wed Jan 5 17:35:03 2022 14退出线程：Thread-2 15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 , delay ):
threading. Thread. __init__ ( self )
self. threadID = threadID
self. name = name
self. delay = delay
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. delay , 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：
1开启线程： Thread-1 2开启线程： Thread-2 3Thread-1: Wed Jan 5 17:36:50 2022 4Thread-1: Wed Jan 5 17:36:51 2022 5Thread-1: Wed Jan 5 17:36:52 2022 6Thread-2: Wed Jan 5 17:36:54 2022 7Thread-2: Wed Jan 5 17:36:56 2022 8Thread-2: Wed Jan 5 17:36:58 2022 9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：
1开启线程：Thread-1 2开启线程：Thread-2 3开启线程：Thread-3 4Thread-3 processing One 5Thread-1 processing Two 6Thread-2 processing Three 7Thread-3 processing Four 8Thread-1 processing Five 9退出线程：Thread-3 10退出线程：Thread-2 11退出线程：Thread-1 12退出主线程