十分钟带你了解 Python3 多线程核心知识

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马哥linux运维

修改于 2018-11-27 10:03:59

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修改于 2018-11-27 10:03:59

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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)

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,?time
#?定义线程函数
def?print_time(threadName,?delay):
???count?=?0
???while?count?<?5:
???????time.sleep(delay)
???????count?+=?1
???????#?返回当前时间的时间戳（1970纪元后经过的浮点秒数）,?并格式化输出
???????print("{}:?{}".format(threadName,?time.ctime(time.time())?))
try:
???_thread.start_new_thread(?print_time,?("Thread-1",?2))
???_thread.start_new_thread(?print_time,?("Thread-2",?4))
except:
???print("Error")

while?1:
???#?让线程有足够的时间完成
???pass

E:\PyPro>python?thread.py
Thread-1:?Thu?Apr?12?09:01:56?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?09:01:58?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?09:01:58?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?09:02:00?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?09:02:02?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?09:02:02?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?09:02:05?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?09:02:06?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?09:02:10?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?09:02:14?2018

类封装式

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。

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。

import?threading,?time
#?创建进程类
class?myThread(threading.Thread):
???#?构造函数
???def?__init__(self,?threadID,?name,?counter):
???????threading.Thread.__init__(self)
???????self.threadID?=?threadID
???????self.name?=?name
???????self.counter?=?counter
???#?重写run()
???def?run(self):
???????print("Thread?Strat："?+?self.name)
???????print_time(self.name,?self.counter,?5)
???????print("Thread?Exit："?+?self.name)
???????
def?print_time(threadName,?delay,?counter):
???while?counter:
???????time.sleep(delay)
???????print("{}:?{}".format(threadName,?time.ctime(time.time())?))
???????counter?-=?1????

#?创建线程
thread1?=?myThread(1001,?"Thread-1",?1)
thread2?=?myThread(1002,?"Thread-2",?2)

#?开启线程
print("Thread-1?is?Alive??",?thread1.isAlive())
thread1.start()
thread2.start()
print("Thread-1?is?Alive??",?thread1.isAlive())
thread1.join()
thread2.join()
print("Thread-1?is?Alive??",?thread1.isAlive())
print("exit")

E:\PyPro>python?threadClass.py
Thread-1?is?Alive???False
Thread?Strat：Thread-1
Thread?Strat：Thread-2
Thread-1?is?Alive???True
Thread-1:?Thu?Apr?12?10:15:53?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?10:15:54?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?10:15:54?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?10:15:55?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?10:15:56?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?10:15:56?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?10:15:57?2018
Thread?Exit：Thread-1
Thread-2:?Thu?Apr?12?10:15:58?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?10:16:00?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?10:16:02?2018
Thread?Exit：Thread-2
Thread-1?is?Alive???False
exit

不难发现，线程是通过start()函数激活，而不是对象建立时激活的！

线程同步

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。

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。

import?threading,?time

#?创建锁
threadLock?=?threading.Lock()
#?创建线程列表
threads?=?[]

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("Thread?Start:?"?+?self.name)
???????#?获取锁，同步线程
???????threadLock.acquire()
???????print_time(self.name,?self.counter,?3)
???????#?释放锁，开启下一个线程
???????threadLock.release()
???????print("Thread?Exit:?"?+?self.name)
???????
def?print_time(threadName,?delay,?counter):
???while?counter:
???????time.sleep(delay)
???????print("{}:?{}".format(threadName,?time.ctime()))
???????counter?-=?1

???????
#?创建线程
thread1?=?myThread(1001,?"Thread-1",?1)
thread2?=?myThread(1002,?"Thread-2",?2)

#?开启线程
thread1.start()
thread2.start()

#?添加线程列表
threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

#?等待所有线程完成
for?t?in?threads:
???t.join()
print("exit")

E:\PyPro>python?synchronize.py
Thread?Start:?Thread-1
Thread?Start:?Thread-2
Thread-1:?Thu?Apr?12?11:00:49?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?11:00:50?2018
Thread-1:?Thu?Apr?12?11:00:51?2018
Thread?Exit:?Thread-1
Thread-2:?Thu?Apr?12?11:00:53?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?11:00:55?2018
Thread-2:?Thu?Apr?12?11:00:57?2018
Thread?Exit:?Thread-2
exit

线程优先级队列

Python 的 Queue 模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO队列Queue，LIFO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?queue,?threading,?time

exitFlag?=?0
#?创建锁
queueLock?=?threading.Lock()
#?创建队列
workQueue?=?queue.Queue(10)



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("Thread?Start:?"?+?self.name)
???????process_data(self.name,?self.q)
???????print("Thread?Exit:?"?+?self.name)
???????
def?process_data(threadName,?q):
???while?not?exitFlag:
???????queueLock.acquire()
???????if?not?workQueue.empty():
???????????data?=?q.get()
???????????queueLock.release()
???????????print("{}?processing?{}".format(threadName,?data))
???????else:
???????????queueLock.release()
???????time.sleep(1)

threadList?=?["Thread-1",?"Thread-2",?"Thread-3"]
nameList?=?["One",?"Two",?"Three",?"Four",?"Five"]
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()
print("队列填充中>>>>>>>>>>>>>>")
time.sleep(1)
for?word?in?nameList:
???workQueue.put(word)
print("队列填充完毕>>>>>>>>>>>>>>")
queueLock.release()

#?等待队列清空
while?not?workQueue.empty():
???pass

#?通知线程退出
exitFlag?=?1

#?等待所有线程完成
for?t?in?threads:
???t.join()
print("exit")

E:\PyPro>python?queueue.py
Thread?Start:?Thread-1
Thread?Start:?Thread-2
Thread?Start:?Thread-3
队列填充中>>>>>>>>>>>>>>
队列填充完毕>>>>>>>>>>>>>>
Thread-3?processing?One
Thread-1?processing?Two
Thread-2?processing?Three
Thread-3?processing?Four
Thread-1?processing?Five
Thread?Exit:?Thread-2
Thread?Exit:?Thread-1
Thread?Exit:?Thread-3
exit

源码中其实实现了三个进程读取同一个队列，按照先进先出原则实现锁定。

用start方法来启动线程，真正实现了多线程运行，这时无需等待run方法体代码执行完毕而直接继续执行下面的代码。通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程，这时此线程处于就绪（可运行）状态，并没有运行，一旦得到cpu时间片，就开始执行run()方法，这里方法 run()称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容，Run方法运行结束，此线程随即终止。

join的作用是保证当前线程执行完成后，再执行其它线程。join可以有timeout参数，表示阻塞其它线程timeout秒后，不再阻塞。。一般线程的start()之后，所有操作结束后都要进行thread.join()。确保语句的输出是join()后面的

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

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