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Python 多線程

多線程類似于同時(shí)執(zhí)行多個(gè)不同程序，多線程運(yùn)行有如下優(yōu)點(diǎn)：

  • 使用線程可以把占據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的程序中的任務(wù)放到后臺(tái)去處理。
  • 用戶界面可以更加吸引人，這樣比如用戶點(diǎn)擊了一個(gè)按鈕去觸發(fā)某些事件的處理，可以彈出一個(gè)進(jìn)度條來(lái)顯示處理的進(jìn)度
  • 程序的運(yùn)行速度可能加快
  • 在一些等待的任務(wù)實(shí)現(xiàn)上如用戶輸入、文件讀寫(xiě)和網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)等，線程就比較有用了。在這種情況下我們可以釋放一些珍貴的資源如內(nèi)存占用等等。

線程在執(zhí)行過(guò)程中與進(jìn)程還是有區(qū)別的。每個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程有一個(gè)程序運(yùn)行的入口、順序執(zhí)行序列和程序的出口。但是線程不能夠獨(dú)立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個(gè)線程執(zhí)行控制。

每個(gè)線程都有他自己的一組CPU寄存器，稱為線程的上下文，該上下文反映了線程上次運(yùn)行該線程的CPU寄存器的狀態(tài)。

指令指針和堆棧指針寄存器是線程上下文中兩個(gè)最重要的寄存器，線程總是在進(jìn)程得到上下文中運(yùn)行的，這些地址都用于標(biāo)志擁有線程的進(jìn)程地址空間中的內(nèi)存。

  • 線程可以被搶占（中斷）。
  • 在其他線程正在運(yùn)行時(shí)，線程可以暫時(shí)擱置（也稱為睡眠） -- 這就是線程的退讓。

開(kāi)始學(xué)習(xí)Python線程

Python中使用線程有兩種方式：函數(shù)或者用類來(lái)包裝線程對(duì)象。

函數(shù)式：調(diào)用thread模塊中的start_new_thread()函數(shù)來(lái)產(chǎn)生新線程。語(yǔ)法如下:

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

參數(shù)說(shuō)明:

  • function - 線程函數(shù)。
  • args - 傳遞給線程函數(shù)的參數(shù),他必須是個(gè)tuple類型。
  • kwargs - 可選參數(shù)。

實(shí)例(Python 2.0+)

#!/usr/bin/python # -*- coding: UTF-8 -*- import thread import time # 為線程定義一個(gè)函數(shù) def print_time( threadName, delay): count = 0 while count < 5: time.sleep(delay) count += 1 print "%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ) # 創(chuàng)建兩個(gè)線程 try: thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) ) thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) ) except: print "Error: unable to start thread" while 1: pass

執(zhí)行以上程序輸出結(jié)果如下：

Thread-1: Thu Jan 22 15:42:17 2009
Thread-1: Thu Jan 22 15:42:19 2009
Thread-2: Thu Jan 22 15:42:19 2009
Thread-1: Thu Jan 22 15:42:21 2009
Thread-2: Thu Jan 22 15:42:23 2009
Thread-1: Thu Jan 22 15:42:23 2009
Thread-1: Thu Jan 22 15:42:25 2009
Thread-2: Thu Jan 22 15:42:27 2009
Thread-2: Thu Jan 22 15:42:31 2009
Thread-2: Thu Jan 22 15:42:35 2009

線程的結(jié)束一般依靠線程函數(shù)的自然結(jié)束；也可以在線程函數(shù)中調(diào)用thread.exit()，他拋出SystemExit exception，達(dá)到退出線程的目的。

線程模塊

Python通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)thread和threading提供對(duì)線程的支持。thread提供了低級(jí)別的、原始的線程以及一個(gè)簡(jiǎn)單的鎖。

threading 模塊提供的其他方法：

  • threading.currentThread(): 返回當(dāng)前的線程變量。
  • threading.enumerate(): 返回一個(gè)包含正在運(yùn)行的線程的list。正在運(yùn)行指線程啟動(dòng)后、結(jié)束前，不包括啟動(dòng)前和終止后的線程。
  • threading.activeCount(): 返回正在運(yùn)行的線程數(shù)量，與len(threading.enumerate())有相同的結(jié)果。

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

  • run(): 用以表示線程活動(dòng)的方法。
  • start():啟動(dòng)線程活動(dòng)。

  • join([time]): 等待至線程中止。這阻塞調(diào)用線程直至線程的join() 方法被調(diào)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(shí)發(fā)生。
  • isAlive(): 返回線程是否活動(dòng)的。
  • getName(): 返回線程名。
  • setName(): 設(shè)置線程名。

使用Threading模塊創(chuàng)建線程

使用Threading模塊創(chuàng)建線程，直接從threading.Thread繼承，然后重寫(xiě)__init__方法和run方法：

實(shí)例(Python 2.0+)

#!/usr/bin/python # -*- coding: UTF-8 -*- import threading import time exitFlag = 0 class myThread (threading.Thread): #繼承父類threading.Thread def __init__(self, threadID, name, counter): threading.Thread.__init__(self) self.threadID = threadID self.name = name self.counter = counter def run(self): #把要執(zhí)行的代碼寫(xiě)到run函數(shù)里面 線程在創(chuàng)建后會(huì)直接運(yùn)行run函數(shù) print "Starting " + self.name print_time(self.name, self.counter, 5) print "Exiting " + self.name def print_time(threadName, delay, counter): while counter: if exitFlag: (threading.Thread).exit() time.sleep(delay) print "%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())) counter -= 1 # 創(chuàng)建新線程 thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1) thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2) # 開(kāi)啟線程 thread1.start() thread2.start() print "Exiting Main Thread"

以上程序執(zhí)行結(jié)果如下；

Starting Thread-1
Starting Thread-2
Exiting Main Thread
Thread-1: Thu Mar 21 09:10:03 2013
Thread-1: Thu Mar 21 09:10:04 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:10:04 2013
Thread-1: Thu Mar 21 09:10:05 2013
Thread-1: Thu Mar 21 09:10:06 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:10:06 2013
Thread-1: Thu Mar 21 09:10:07 2013
Exiting Thread-1
Thread-2: Thu Mar 21 09:10:08 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:10:10 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:10:12 2013
Exiting Thread-2

線程同步

如果多個(gè)線程共同對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)修改，則可能出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，需要對(duì)多個(gè)線程進(jìn)行同步。

使用Thread對(duì)象的Lock和Rlock可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的線程同步，這兩個(gè)對(duì)象都有acquire方法和release方法，對(duì)于那些需要每次只允許一個(gè)線程操作的數(shù)據(jù)，可以將其操作放到acquire和release方法之間。如下：

多線程的優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)（至少感覺(jué)起來(lái)是這樣）。但是當(dāng)線程需要共享數(shù)據(jù)時(shí)，可能存在數(shù)據(jù)不同步的問(wèn)題。

考慮這樣一種情況：一個(gè)列表里所有元素都是0，線程"set"從后向前把所有元素改成1，而線程"print"負(fù)責(zé)從前往后讀取列表并打印。

那么，可能線程"set"開(kāi)始改的時(shí)候，線程"print"便來(lái)打印列表了，輸出就成了一半0一半1，這就是數(shù)據(jù)的不同步。為了避免這種情況，引入了鎖的概念。

鎖有兩種狀態(tài)——鎖定和未鎖定。每當(dāng)一個(gè)線程比如"set"要訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，必須先獲得鎖定；如果已經(jīng)有別的線程比如"print"獲得鎖定了，那么就讓線程"set"暫停，也就是同步阻塞；等到線程"print"訪問(wèn)完畢，釋放鎖以后，再讓線程"set"繼續(xù)。

經(jīng)過(guò)這樣的處理，打印列表時(shí)要么全部輸出0，要么全部輸出1，不會(huì)再出現(xiàn)一半0一半1的尷尬場(chǎng)面。

實(shí)例(Python 2.0+)

#!/usr/bin/python # -*- coding: UTF-8 -*- 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 "Starting " + self.name # 獲得鎖，成功獲得鎖定后返回True # 可選的timeout參數(shù)不填時(shí)將一直阻塞直到獲得鎖定 # 否則超時(shí)后將返回False threadLock.acquire() print_time(self.name, self.counter, 3) # 釋放鎖 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(chuàng)建新線程 thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1) thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2) # 開(kāi)啟新線程 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 "Exiting Main Thread"

線程優(yōu)先級(jí)隊(duì)列（ Queue）

Python的Queue模塊中提供了同步的、線程安全的隊(duì)列類，包括FIFO（先入先出)隊(duì)列Queue，LIFO（后入先出）隊(duì)列LifoQueue，和優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PriorityQueue。這些隊(duì)列都實(shí)現(xiàn)了鎖原語(yǔ)，能夠在多線程中直接使用?？梢允褂藐?duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間的同步。

Queue模塊中的常用方法:

  • Queue.qsize() 返回隊(duì)列的大小
  • Queue.empty() 如果隊(duì)列為空，返回True,反之False
  • Queue.full() 如果隊(duì)列滿了，返回True,反之False
  • Queue.full 與 maxsize 大小對(duì)應(yīng)
  • Queue.get([block[, timeout]])獲取隊(duì)列，timeout等待時(shí)間
  • Queue.get_nowait() 相當(dāng)Queue.get(False)
  • Queue.put(item) 寫(xiě)入隊(duì)列，timeout等待時(shí)間
  • Queue.put_nowait(item) 相當(dāng)Queue.put(item, False)
  • Queue.task_done() 在完成一項(xiàng)工作之后，Queue.task_done()函數(shù)向任務(wù)已經(jīng)完成的隊(duì)列發(fā)送一個(gè)信號(hào)
  • Queue.join() 實(shí)際上意味著等到隊(duì)列為空，再執(zhí)行別的操作

實(shí)例(Python 2.0+)

#!/usr/bin/python # -*- coding: UTF-8 -*- 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 "Starting " + self.name process_data(self.name, self.q) print "Exiting " + 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(chuàng)建新線程 for tName in threadList: thread = myThread(threadID, tName, workQueue) thread.start() threads.append(thread) threadID += 1 # 填充隊(duì)列 queueLock.acquire() for word in nameList: workQueue.put(word) queueLock.release() # 等待隊(duì)列清空 while not workQueue.empty(): pass # 通知線程是時(shí)候退出 exitFlag = 1 # 等待所有線程完成 for t in threads: t.join() print "Exiting Main Thread"

以上程序執(zhí)行結(jié)果：

Starting Thread-1
Starting Thread-2
Starting Thread-3
Thread-1 processing One
Thread-2 processing Two
Thread-3 processing Three
Thread-1 processing Four
Thread-2 processing Five
Exiting Thread-3
Exiting Thread-1
Exiting Thread-2
Exiting Main Thread
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