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Python 多线程

搞懂Python线程创建、同步的用法

什么是线程和进程

进程就是操作系统中执行的一个程序,操作系统以进程为单位分配存储空间,每个进程都有自己的地址空间、数据栈以及其他用于跟踪进程执行的辅助数据,操作系统管理所有进程的执行,为它们合理的分配资源。进程可以通过fork或spawn的方式来创建新的进程来执行其他的任务,不过新的进程也有自己独立的内存空间,因此必须通过进程间通信机制(IPC,Inter-Process Communication)来实现数据共享,具体的方式包括管道、信号、套接字、共享内存区等。
一个进程还可以拥有多个并发的执行线索,简单的说就是拥有多个可以获得CPU调度的执行单元,这就是所谓的线程。由于线程在同一个进程下,它们可以共享相同的上下文,因此相对于进程而言,线程间的信息共享和通信更加容易。当然在单核CPU系统中,真正的并发是不可能的,因为在某个时刻能够获得CPU的只有唯一的一个线程,多个线程共享了CPU的执行时间。使用多线程实现并发编程为程序带来的好处是不言而喻的,最主要的体现在提升程序的性能和改善用户体验,今天我们使用的软件几乎都用到了多线程技术。
Python既支持多进程又支持多线程,因此使用Python实现并发编程主要有3种方式:多进程、多线程、多进程+多线程。

Python多进程

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:
使用线程可以把执行较慢、占据时间较长的任务放到后台处理。 主任务执行,可以通过异步线程可以监控处理的进度。 程多线程相当于把一个大任务拆分成多个子任务执行,完成任务的时间更短。
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。
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。
Python 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"。
Python中使用线程有两种方式:函数或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。
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", 1, ) )
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 3, ) )
except:
   print ("Error: 无法启动线程")
while 1:
   pass
执行结果:
Thread-1: Sun Jul 19 17:39:39 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:39:40 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:39:41 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:39:41 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:39:42 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:39:43 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:39:44 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:39:47 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:39:50 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:39:53 2020

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

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")
执行结果:
开始线程:Thread-1
开始线程:Thread-2
Thread-1: Sun Jul 19 17:46:04 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:46:05 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:46:05 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:46:06 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:46:07 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:46:07 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:46:08 2020
退出线程:Thread-1
Thread-2: Sun Jul 19 17:46:09 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:46:11 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:46:13 2020
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 acquirerelease 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。
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")
执行结果:
开启线程: Thread-1
开启线程: Thread-2
Thread-1: Sun Jul 19 17:52:03 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:52:04 2020
Thread-1: Sun Jul 19 17:52:05 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:52:07 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:52:09 2020
Thread-2: Sun Jul 19 17:52:11 2020
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。
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-2 processing Two
Thread-1 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

多进程-分而治之。

我们来完成1~100000000求和的计算密集型任务,这个问题本身非常简单,有点循环的知识就能解决,代码如下所示。
from time import time
def main():
    total = 0
    number_list = [x for x in range(1, 100000001)]
    start = time()
    for number in number_list:
        total += number
    print(total)
    end = time()
    print('Execution time: %.3fs' % (end - start))
if __name__ == '__main__':
    main()
执行结果:
5000000050000000
Execution time: 12.869s
在上面的代码中,我故意先去创建了一个列表容器然后填入了100000000个数,这一步其实是比较耗时间的,所以为了公平起见,当我们将这个任务分解到8个进程中去执行的时候,我们暂时也不考虑列表切片操作花费的时间,只是把做运算和合并运算结果的时间统计出来,代码如下所示。
from multiprocessing import Process, Queue
from random import randint
from time import time
def task_handler(curr_list, result_queue):
    total = 0
    for number in curr_list:
        total += number
    result_queue.put(total)
def main():
    processes = []
    number_list = [x for x in range(1, 100000001)]
    result_queue = Queue()
    index = 0
    # 启动8个进程将数据切片后进行运算
    for _ in range(8):
        p = Process(target=task_handler,
                    args=(number_list[index:index + 12500000], result_queue))
        index += 12500000
        processes.append(p)
        p.start()
    # 开始记录所有进程执行完成花费的时间
    start = time()
    for p in processes:
        p.join()
    # 合并执行结果
    total = 0
    while not result_queue.empty():
        total += result_queue.get()
    print(total)
    end = time()
    print('Execution time: ', (end - start), 's', sep='')
if __name__ == '__main__':
    main()
执行结果:
5000000050000000
Execution time: 1.1408379077911377s
比较两段代码的执行结果,使用多进程后由于获得了更多的CPU执行时间以及更好的利用了CPU的多核特性,明显的减少了程序的执行时间,而且计算量越大效果越明显。
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跑得很快 2020-09-21

多线程程序中的time.sleep()

该sleep()函数将当前线程的执行暂停给定的秒数。

如果是单线程程序,则sleep()中止线程和进程的执行。但是,该函数在多线程程序中挂起线程而不是整个进程。

import threading 
import time
  
def print_hello():
  for i in range(4):
    time.sleep(0.5)
    print("Hello")
  
def print_hi(): 
    for i in range(4): 
      time.sleep(0.7)
      print("Hi") 


t1 = threading.Thread(target=print_hello)  
t2 = threading.Thread(target=print_hi)  
t1.start()
t2.start()
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