Python 多線程

多線程類似於同時執行多個不同程序。

Python中使用線程有兩種方式:函數或者用類來包裝線程對象。

函數式:調用 _thread 模塊中的start_new_thread()函數來產生新線程。語法如下:

_thread.start_new_thread ( function, args[, kwargs] )

參數說明:

         function - 線程函數。

         args - 傳遞給線程函數的參數,他必須是個tuple類型。

  • kwargs - 可選參數。
  • 實例:
  • import _thread
    import time
    
    # 爲線程定義一個函數
    def print_time( threadName, delay):
       count = 0
       while count < 5:
          time.sleep(delay)
          count += 1
          print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))
    
    # 創建兩個線程
    try:
       _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
       _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
    except:
       print ("Error: 無法啓動線程")
    
    while 1:
       pass
    執行以上程序輸出結果如下:
  • Thread-1: Wed Aug  2 14:58:49 2017
    Thread-2: Wed Aug  2 14:58:51 2017
    Thread-1: Wed Aug  2 14:58:51 2017
    Thread-1: Wed Aug  2 14:58:53 2017
    Thread-2: Wed Aug  2 14:58:55 2017
    Thread-1: Wed Aug  2 14:58:55 2017
    Thread-1: Wed Aug  2 14:58:57 2017
    Thread-2: Wed Aug  2 14:58:59 2017
    Thread-2: Wed Aug  2 14:59:03 2017
    Thread-2: Wed Aug  2 14:59:08 2017
    執行以上程後可以按下 ctrl-c to 退出。
  • Python3 通過兩個標準庫 _thread threading提供對線程的支持。

         _thread 提供了低級別的、原始的線程以及一個簡單的鎖,它相比於 threading 模塊的功能還是比較有限的。

         threading 模塊除了包含 _thread 模塊中的所有方法外,還提供的其他方法:

  • threading.currentThread(): 返回當前的線程變量。
  • threading.enumerate(): 返回一個包含正在運行的線程的list。正在運行指線程啓動後、結束前,不包括啓動前和終止後的線程。
  • threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數量,與len(threading.enumerate())有相同的結果。

        除了使用方法外,線程模塊同樣提供了Thread類來處理線程,Thread類提供了以下方法:

  • run(): 用以表示線程活動的方法。
  • start():啓動線程活動。

  • join([time]): 等待至線程中止。這阻塞調用線程直至線程的join() 方法被調用中止-正常退出或者拋出未處理的異常-或者是可選的超時發生。
  • isAlive(): 返回線程是否活動的。
  • getName(): 返回線程名。
  • setName(): 設置線程名。

使用 threading 模塊創建線程

我們可以通過直接從 threading.Thread 繼承創建一個新的子類,並實例化後調用 start() 方法啓動新線程,即它調用了線程的 run() 方法:

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 ("開始線程:" + self.name)
        print_time(self.name, self.counter, 5)
        print ("退出線程:" + 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

# 創建新線程
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# 開啓新線程
thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()
print ("退出主線程")
以上程序執行結果如下;

開始線程:Thread-1開始線程:Thread-2

Thread-1: Wed Aug  2 15:02:37 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:02:38 2017Thread-1: Wed Aug  2 15:02:38 2017

Thread-1: Wed Aug  2 15:02:39 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:02:40 2017Thread-1: Wed Aug  2 15:02:40 2017

Thread-1: Wed Aug  2 15:02:41 2017
退出線程:Thread-1
Thread-2: Wed Aug  2 15:02:42 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:02:44 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:02:46 2017
退出線程:Thread-2
退出主線程
>>> 

線程同步

如果多個線程共同對某個數據修改,則可能出現不可預料的結果,爲了保證數據的正確性,需要對多個線程進行同步。

使用 Thread 對象的 Lock 和 Rlock 可以實現簡單的線程同步,這兩個對象都有 acquire 方法和 release 方法,對於那些需要每次只允許一個線程操作的數據,可以將其操作放到 acquire 和 release 方法之間。如下:

多線程的優勢在於可以同時運行多個任務(至少感覺起來是這樣)。但是當線程需要共享數據時,可能存在數據不同步的問題。

考慮這樣一種情況:一個列表裏所有元素都是0,線程"set"從後向前把所有元素改成1,而線程"print"負責從前往後讀取列表並打印。

那麼,可能線程"set"開始改的時候,線程"print"便來打印列表了,輸出就成了一半0一半1,這就是數據的不同步。爲了避免這種情況,引入了鎖的概念。

鎖有兩種狀態——鎖定和未鎖定。每當一個線程比如"set"要訪問共享數據時,必須先獲得鎖定;如果已經有別的線程比如"print"獲得鎖定了,那麼就讓線程"set"暫停,也就是同步阻塞;等到線程"print"訪問完畢,釋放鎖以後,再讓線程"set"繼續。

經過這樣的處理,打印列表時要麼全部輸出0,要麼全部輸出1,不會再出現一半0一半1的尷尬場面。

實例:

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 ("開啓線程: " + self.name)
        # 獲取鎖,用於線程同步
        threadLock.acquire()
        print_time(self.name, self.counter, 3)
        # 釋放鎖,開啓下一個線程
        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 = []

# 創建新線程
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# 開啓新線程
thread1.start()
thread2.start()

# 添加線程到線程列表
threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

# 等待所有線程完成
for t in threads:
    t.join()
print ("退出主線程")
執行以上程序,輸出結果爲:

開啓線程: Thread-1開啓線程: Thread-2

Thread-1: Wed Aug  2 15:04:55 2017
Thread-1: Wed Aug  2 15:04:56 2017
Thread-1: Wed Aug  2 15:04:57 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:04:59 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:05:01 2017
Thread-2: Wed Aug  2 15:05:03 2017
退出主線程
>>> 

線程優先級隊列( Queue)

Python 的 Queue 模塊中提供了同步的、線程安全的隊列類,包括FIFO(先入先出)隊列Queue,LIFO(後入先出)隊列LifoQueue,和優先級隊列 PriorityQueue。

這些隊列都實現了鎖原語,能夠在多線程中直接使用,可以使用隊列來實現線程間的同步。

Queue 模塊中的常用方法:

  • Queue.qsize() 返回隊列的大小
  • Queue.empty() 如果隊列爲空,返回True,反之False
  • Queue.full() 如果隊列滿了,返回True,反之False
  • Queue.full 與 maxsize 大小對應
  • Queue.get([block[, timeout]])獲取隊列,timeout等待時間
  • Queue.get_nowait() 相當Queue.get(False)
  • Queue.put(item) 寫入隊列,timeout等待時間
  • Queue.put_nowait(item) 相當Queue.put(item, False)
  • Queue.task_done() 在完成一項工作之後,Queue.task_done()函數向任務已經完成的隊列發送一個信號
  • Queue.join() 實際上意味着等到隊列爲空,再執行別的操作

實例:

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 ("開啓線程:" + self.name)
        process_data(self.name, self.q)
        print ("退出線程:" + 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

# 創建新線程
for tName in threadList:
    thread = myThread(threadID, tName, workQueue)
    thread.start()
    threads.append(thread)
    threadID += 1

# 填充隊列
queueLock.acquire()
for word in nameList:
    workQueue.put(word)
queueLock.release()

# 等待隊列清空
while not workQueue.empty():
    pass

# 通知線程是時候退出
exitFlag = 1

# 等待所有線程完成
for t in threads:
    t.join()
print ("退出主線程")
以上程序執行結果:

開啓線程:Thread-1
開啓線程:Thread-2
開啓線程:Thread-3
Thread-3 processing One
Thread-1 processing Two
Thread-2 processing Three
Thread-3 processing Four
Thread-1 processing Five
退出線程:Thread-3
退出線程:Thread-2
退出線程:Thread-1
退出主線程





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