Python3多线程

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

#!/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.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；

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

#!/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

#!/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

本文名称：Python3多线程
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