从零开始的Python学习Episode 22——多线程

多线程

线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

进程

程序的执行实例称为进程。

每个进程提供执行程序所需的资源。进程具有虚拟地址空间、可执行代码、系统对象的打开句柄、安全上下文、唯一进程标识符、环境变量、优先级类、最小和最大工作集大小以及至少一个执行线程。每个进程都是用一个线程（通常称为主线程）启动的，但是可以从它的任何线程创建额外的线程。

线程和进程的区别

线程共享创建它的进程的地址空间；进程有自己的地址空间。

线程可以直接访问其进程的数据段；进程有自己的父进程数据段副本。

线程可以直接与其进程的其他线程通信；进程必须使用进程间通信来与兄弟进程通信。

新线程很容易创建；新进程需要父进程的重复。

线程可以对同一进程的线程进行相当大的控制；进程只能对子进程进行控制。

对主线程的更改（取消、优先级更改等）可能会影响进程的其他线程的行为；对父进程的更改不会影响子进程。

线程的创建

import threading
def foo(num):
    print('running on thread ',num)if __name__=='__main__':
    t1 = threading.Thread(target=foo, args=(1,))  # 生成一个线程实例
    t1.start()  # 启动线程

通过继承的方式创建线程

import threading
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num

    def run(self):  # 定义每个线程要运行的函数，将threading.Thread中的run方法进行了重载
        print("running on number:%s" % self.num)

if __name__ == '__main__':
    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()

并发

创建两个线程来同时并发。

import threading
import time
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num

    def run(self):  # 定义每个线程要运行的函数
        print("running on number:%s" % self.num)
        time.sleep(3)

if __name__ == '__main__':
    begin = time.time()
    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()
    end = time.time()
    print(end-begin)

这样输出的是

running on number:1
running on number:20.002995729446411133

期间只用了零点几秒，几乎是同时输出的，这样可以看出它们是同时进行的。要是是串行的就应该是3.XXXXX秒了。

join()方法

在子线程完成运行之前，这个子线程的父线程将一直被阻塞。即一个线程使用join()方法后，必须等该线程结束后才执行join()之后的代码。

import threading
import time
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num

    def run(self):  # 定义每个线程要运行的函数
        print("running on number:%s" % self.num)
        time.sleep(3)

if __name__ == '__main__':
    begin = time.time()
    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    end = time.time()
    print(end-begin)

这样输出的是

running on number:1
running on number:2
3.005915880203247

这样就相当于串行了。

守护线程setDaemon

将线程声明为守护线程，必须在start() 方法调用之前设置， 如果不设置为守护线程程序会被无限挂起。这个方法基本和join是相反的。当主线程完成时不需要某个子线程完全运行完就要退出程序，那么就可以将这个子线程设置为守护线程，setDaemon(True)。

import threading
import time
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.num = num

    def run(self):  # 定义每个线程要运行的函数
        print("running on number:%s" % self.num)
        time.sleep(3)

if __name__ == '__main__':
    begin = time.time()
    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.setDaemon(True)
    t2.setDaemon(True)
    t1.start()
    t2.start()
    end = time.time()
    print(end-begin)

这样当主线程完成了之后就会退出，不会等待子线程。

running on number:1
running on number:20.0020024776458740234

同步锁（Lock）

import time
import threading

def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    # num-=1

    temp=num
    print('--get num:',num )
    time.sleep(0.001)
    num =temp-1 #对此公共变量进行-1操作

num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)

for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()

print('final num:', num )

但这样最后获得的final num往往不是0，而是其他数，这是因为多个线程在time.sleep()的时候同时拿到了num，所以num是同一个数，而解决方法就是加锁。

死锁与递归锁（RLock）

死锁

import time
import threading
lock1 = threading.Lock()
lock2 = threading.Lock()
class Mythread(threading.Thread):
    def run(self):
        self.f1()
        self.f2()
    def f1(self):
        lock1.acquire()
        print('%s 拿到一号锁' %self.name)
        lock2.acquire()
        print('%s 拿到二号锁' % self.name)
        time.sleep(2)
        lock1.release()
        lock2.release()
    def f2(self):
        lock2.acquire()
        print('%s 拿到二号锁' %self.name)
        lock1.acquire()
        print('%s 拿到一号锁' % self.name)
        lock2.release()
        lock1.release()
if __name__ == '__main__':
    for i in range(5):
        t=Mythread()
        t.start()

#Thread-1 拿到一号锁
Thread-1 拿到二号锁
Thread-1 拿到二号锁Thread-2 拿到一号锁

这里开了5个线程，可是却阻塞住了，原因是在Thread1拿到二号锁，Thread2拿到一号锁时，f2中在等待一号锁，f1在等待二号锁，结果都等不到，所以产生了死锁。

RLock

import time
import threading
lock = threading.RLock()
class Mythread(threading.Thread):
    def run(self):
        self.f1()
        self.f2()
    def f1(self):
        lock.acquire()
        print('%s 拿到一号锁' %self.name)
        lock.acquire()
        print('%s 拿到二号锁' % self.name)
        time.sleep(2)
        lock.release()
        lock.release()
    def f2(self):
        lock.acquire()
        print('%s 拿到二号锁' %self.name)
        lock.acquire()
        print('%s 拿到一号锁' % self.name)
        lock.release()
        lock.release()
if __name__ == '__main__':
    for i in range(5):
        t=Mythread()
        t.start()

'''
Thread-1 拿到一号锁
Thread-1 拿到二号锁
Thread-2 拿到一号锁
Thread-2 拿到二号锁
Thread-3 拿到一号锁
Thread-3 拿到二号锁
Thread-4 拿到一号锁
Thread-4 拿到二号锁
Thread-5 拿到一号锁
Thread-5 拿到二号锁
Thread-1 拿到二号锁
Thread-1 拿到一号锁
Thread-2 拿到二号锁
Thread-2 拿到一号锁
Thread-3 拿到二号锁
Thread-3 拿到一号锁
Thread-4 拿到二号锁
Thread-4 拿到一号锁
Thread-5 拿到二号锁
Thread-5 拿到一号锁
'''

为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了“可重入锁”：threading.RLock。RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次acquire。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。

信号量

信号量用来控制线程并发数的，BoundedSemaphore或Semaphore管理一个内置的计数 器，每当调用acquire()时-1，调用release()时+1。

计数器不能小于0，当计数器为 0时，acquire()将阻塞线程至同步锁定状态，直到其他线程调用release()。(类似于停车位的概念)

BoundedSemaphore与Semaphore的唯一区别在于前者将在调用release()时检查计数 器的值是否超过了计数器的初始值，如果超过了将抛出一个异常。

import time
import threading
s = threading.BoundedSemaphore(3)
class Mythread(threading.Thread):
    def run(self):
        s.acquire()
        print(self.name)
        time.sleep(2)
        s.release()
if __name__ == '__main__':
    t=[]
    for i in range(10):
        t.append(Mythread())
    for i in t:
        i.start()

'''
Thread-1
Thread-2
Thread-3
Thread-4Thread-6Thread-5

Thread-7
Thread-8Thread-9

Thread-10
'''

可以看到几乎是三个三个同时输出的。

条件变量同步

有一类线程需要满足条件之后才能够继续执行，Python提供了threading.Condition 对象用于条件变量线程的支持，它除了能提供RLock()或Lock()的方法外，还提供了 wait()、notify()、notifyAll()方法。

lock_con=threading.Condition([Lock/Rlock])： 锁是可选选项，不传入锁，对象自动创建一个RLock()。

wait()：条件不满足时调用，线程会释放锁并进入等待阻塞；
notify()：条件创造后调用，通知等待池激活一个线程；
notifyAll()：条件创造后调用，通知等待池激活所有线程。

import time
import threading
import random
lock = threading.Condition()
class Producer(threading.Thread):
    def __init__(self,name):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.name = name
    def run(self):
        global product
        while True:
            if lock.acquire():
                p = random.randint(1,10)
                print('机器%s生产了%d件产品'%(self.name,p))
                product+=p
                lock.notify()
                lock.release()
                time.sleep(2)

class Consumer(threading.Thread):
    def __init__(self,name):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.name = name
    def run(self):
        global product
        while True:
            if lock.acquire():
                if product>=1:
                    print('客户%s购买了1件产品'%self.name)
                    product -=1
                    lock.notify()
                    lock.release()
            time.sleep(2)

if __name__=="__main__":
    product = 0
    t = []
    for i in range(5):
        t.append(Producer(i))
    t.append((Consumer(1)))
    t.append(Consumer(2))
    for x in t:
        x.start()

'''
机器0生产了10件产品
机器1生产了4件产品
机器2生产了1件产品
机器3生产了2件产品
机器4生产了3件产品
客户1购买了1件产品
客户2购买了1件产品
机器0生产了8件产品
机器1生产了7件产品
机器2生产了5件产品
机器3生产了1件产品
机器4生产了4件产品
客户2购买了1件产品
客户1购买了1件产品
机器0生产了8件产品
机器1生产了4件产品
机器2生产了5件产品
机器3生产了1件产品
机器4生产了1件产品
客户1购买了1件产品
客户2购买了1件产品
机器0生产了5件产品
机器1生产了2件产品
'''

wait等待notify的通知，当接到通知后，会重新从if acquire()开始执行

同步条件(Event)

event.isSet()：返回event的状态值；

event.wait()：如果 event.isSet()==False将阻塞线程；

event.set()： 设置event的状态值为True，所有阻塞池的线程激活进入就绪状态，等待操作系统调度；

event.clear()：恢复event的状态值为False。

import time
import threading
import random
event1=threading.Event()
event2=threading.Event()
event3=threading.Event()
class Producer(threading.Thread):
    def run(self):
        event1.wait()
        print('salesman:这个东西100块。')
        print('salesman:你要吗？')
        event1.clear()
        event2.set()
        event3.wait()
        print('salesman:好的')
        event3.clear()
class Consumer(threading.Thread):
    def run(self):
        print('customer:这个东西多少钱？')
        event1.set()
        event2.wait()
        print('customer:嗯，帮我包起来')
        event2.clear()
        event3.set()

if __name__=="__main__":
    t = []
    t.append(Producer())
    t.append(Consumer())
    for x in t:
        x.start()

'''
customer:这个东西多少钱？
salesman:这个东西100块。
salesman:你要吗？
customer:嗯，帮我包起来
salesman:好的
'''

队列queue

创建一个“队列”对象
import Queue
q = Queue.Queue(maxsize = 10)
Queue.Queue类即是一个队列的同步实现。队列长度可为无限或者有限。可通过Queue的构造函数的可选参数maxsize来设定队列长度。如果maxsize小于1就表示队列长度无限。

将一个值放入队列中
q.put(10)
调用队列对象的put()方法在队尾插入一个项目。put()有两个参数，第一个item为必需的，为插入项目的值；第二个block为可选参数，默认为
1。如果队列当前为空且block为1，put()方法就使调用线程暂停,直到空出一个数据单元。如果block为0，put方法将引发Full异常。

将一个值从队列中取出
q.get()
调用队列对象的get()方法从队头删除并返回一个项目。可选参数为block，默认为True。如果队列为空且block为True，get()就使调用线程暂停，直至有项目可用。如果队列为空且block为False，队列将引发Empty异常。

Python Queue模块有三种队列及构造函数:
1、Python Queue模块的FIFO队列先进先出。  class queue.Queue(maxsize)
2、LIFO类似于堆，即先进后出。             class queue.LifoQueue(maxsize)
3、还有一种是优先级队列级别越低越先出来。   class queue.PriorityQueue(maxsize)

此包中的常用方法(q = Queue.Queue()):
q.qsize() 返回队列的大小
q.empty() 如果队列为空，返回True,反之False
q.full() 如果队列满了，返回True,反之False
q.full 与 maxsize 大小对应
q.get([block[, timeout]]) 获取队列，timeout等待时间
q.get_nowait() 相当q.get(False)
非阻塞 q.put(item) 写入队列，timeout等待时间
q.put_nowait(item) 相当q.put(item, False)
q.task_done() 在完成一项工作之后，q.task_done() 函数向任务已经完成的队列发送一个信号
q.join() 实际上意味着等到队列为空，再执行别的操作

import threading,queue
from time import sleep
from random import randint
class Production(threading.Thread):
    def run(self):
        while True:
            r=randint(0,100)
            q.put(r)
            print("生产出来%s号包子"%r)
            sleep(1)
class Proces(threading.Thread):
    def run(self):
        while True:
            re=q.get()
            print("吃掉%s号包子"%re)
if __name__=="__main__":
    q=queue.Queue(10)
    threads=[Production(),Production(),Production(),Proces()]
    for t in threads:
        t.start()

'''
生产出来55号包子
生产出来100号包子
生产出来67号包子
吃掉55号包子
吃掉100号包子
吃掉67号包子
生产出来23号包子生产出来97号包子生产出来41号包子吃掉23号包子

吃掉97号包子
吃掉41号包子
吃掉4号包子
生产出来4号包子
生产出来45号包子吃掉45号包子生产出来84号包子
'''