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:

_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。

实例代码

#!/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 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

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. current_thread(): 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列表。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.active_count(): 返回正在运行的线程数量，与 len(threading.enumerate()) 有相同的结果。
  • threading.Thread(target, args=(), kwargs={}, daemon=None)：
    • 创建Thread类的实例。
    • target：线程将要执行的目标函数。
    • args：目标函数的参数，以元组形式传递。
    • kwargs：目标函数的关键字参数，以字典形式传递。
    • daemon：指定线程是否为守护线程。

threading.Thread 类提供了以下方法与属性:

  1. __init__(self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}, *, daemon=None)：

    • 初始化Thread对象。
    • group：线程组，暂时未使用，保留为将来的扩展。
    • target：线程将要执行的目标函数。
    • name：线程的名称。
    • args：目标函数的参数，以元组形式传递。
    • kwargs：目标函数的关键字参数，以字典形式传递。
    • daemon：指定线程是否为守护线程。

  2. start(self)：

    • 启动线程。将调用线程的run()方法。

  3. run(self)：

    • 线程在此方法中定义要执行的代码。

  4. join(self, timeout=None)：

    • 等待线程终止。默认情况下，join()会一直阻塞，直到被调用线程终止。如果指定了timeout参数，则最多等待timeout秒。

  5. is_alive(self)：

    • 返回线程是否在运行。如果线程已经启动且尚未终止，则返回True，否则返回False。

  6. getName(self)：

    • 返回线程的名称。

  7. setName(self, name)：

    • 设置线程的名称。

  8. ident属性：

    • 线程的唯一标识符。

  9. daemon属性：

    • 线程的守护标志，用于指示是否是守护线程。

  10. isDaemon()方法：

一个简单的线程实例：

实例代码

import threading
import time

def print_numbers():
    for i in range(5):
        time.sleep(1)
        print(i)

# 创建线程
thread = threading.Thread(target=print_numbers)

# 启动线程
thread.start()

# 等待线程结束
thread.join()

输出结果为：

0
1
2
3
4

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：

实例代码

#!/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；

开始线程：Thread-1
开始线程：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
退出线程：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。

实例代码

#!/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：

开启线程： Thread-1
开启线程： 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

实例代码

#!/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