python学习笔记-（十三）线程&多线程

为了方便大家理解下面的知识，可以先看一篇文章：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

线程

1.什么是线程？

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。

2.python GIL全局解释器锁（仅需了解）

无论你启多少个线程，你有多少个cpu, Python在执行的时候会淡定的在同一时刻只允许一个线程运行

首先需要明确的一点是GIL并不是Python的特性，它是在实现Python解析器(CPython)时所引入的一个概念。就好比C++是一套语言（语法）标准，但是可以用不同的编译器来编译成可执行代码。有名的编译器例如GCC，INTEL C++，Visual C++等。Python也一样，同样一段代码可以通过CPython，PyPy，Psyco等不同的Python执行环境来执行。像其中的JPython就没有GIL。然而因为CPython是大部分环境下默认的Python执行环境。所以在很多人的概念里CPython就是Python，也就想当然的把GIL归结为Python语言的缺陷。所以这里要先明确一点：GIL并不是Python的特性，Python完全可以不依赖于GIL

这篇文章透彻的剖析了GIL对python多线程的影响，强烈推荐看一下：http://www.dabeaz.com/python/UnderstandingGIL.pdf

3.python threading模块

threading模块建立在_thread 模块之上。thread模块以低级、原始的方式来处理和控制线程，而threading 模块通过对thread 进行二次封装，提供了更方便的 api来处理线程。

线程有两种调用方式，如下：

1）直接调用

import threading
import time

def sayhi(num): #定义每个线程要运行的函数

    print("running on number:%s" %num)

    time.sleep(3)

if __name__ == '__main__':

    t1 = threading.Thread(target=sayhi,args=(1,)) #生成一个线程实例 target=函数名  args传元组，元组中是参数
    t2 = threading.Thread(target=sayhi,args=(2,)) #生成另一个线程实例

    t1.start() #启动线程
    t2.start() #启动另一个线程

    print(t1.getName()) #获取线程名
    print(t2.getName())

2）继承调用

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__':

    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start() 

Python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。

thread 模块提供的其他方法：

• 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。

4.Join & Daemon

join 等待线程执行完后，其他线程再继续执行

import  threading,time

def run(n,sleep_time):
    print("test...",n)
    time.sleep(sleep_time)
    print("test...done", n)
if __name__ == '__main__':

    t1 = threading.Thread(target=run,args=("t1",2))
    t2 = threading.Thread(target=run,args=("t2",3))

    # 两个同时执行，然后等待t1执行完成后，主线程和子线程再开始执行
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()   # 等待t1

    print("main thread")

# 程序输出
# test... t1
# test... t2
# test...done t1
# main thread
# test...done t2

Daemon 守护进程

t.setDaemon() 设置为后台线程或前台线程（默认：False）;通过一个布尔值设置线程是否为守护线程，必须在执行start()方法之后才可以使用。如果是后台线程，主线程执行过程中，后台线程也在进行，主线程执行完毕后，后台线程不论成功与否，均停止；如果是前台线程，主线程执行过程中，前台线程也在进行，主线程执行完毕后，等待前台线程也执行完成后，程序停止

import threading,time

def run(n):
    print('[%s]------running----\n' % n)
    time.sleep(2)
    print('--done--')

def main():
    for i in range(5):
        t = threading.Thread(target=run, args=[i, ])
        t.start()
        t.join(1)
        print('starting thread', t.getName())

m = threading.Thread(target=main, args=[])
m.setDaemon(True)  # 将main线程设置为Daemon线程,它做为程序主线程的守护线程,当主线程退出时,
                    # m线程也会退出,由m启动的其它子线程会同时退出,不管是否执行完任务
m.start()
m.join(timeout=2)
print("---main thread done----")

# 程序输出
# [0]------running----
# starting thread Thread-2
# [1]------running----
# --done--
# ---main thread done----

5.线程锁（互斥锁Mutex）

我们使用线程对数据进行操作的时候，如果多个线程同时修改某个数据，可能会出现不可预料的结果，为了保证数据的准确性，引入了锁的概念。

例：假设列表A的所有元素就为0，当一个线程从前向后打印列表的所有元素，另外一个线程则从后向前修改列表的元素为1,那么输出的时候，列表的元素就会一部分为0，一部分为1,这就导致了数据的不一致。锁的出现解决了这个问题。

不加锁：

import time
import threading

def addNum():
    global num  # 在每个线程中都获取这个全局变量
    print('--get num:', num)
    time.sleep(1)
    num -= 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)

加锁：

import time
import threading

def addNum():
    global num  # 在每个线程中都获取这个全局变量
    print('--get num:', num)
    time.sleep(1)
    lock.acquire()  # 修改数据前加锁
    num -= 1  # 对此公共变量进行-1操作
    lock.release()  # 修改后释放

num = 100  # 设定一个共享变量
thread_list = []
lock = threading.Lock()  # 生成全局锁
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)

GIL VS LOCK

机智的同学可能会问到这个问题，就是既然你之前说过了，Python已经有一个GIL来保证同一时间只能有一个线程来执行了，为什么这里还需要lock? 注意啦，这里的lock是用户级的lock,跟那个GIL没关系 ，具体我们通过下图来看一下+配合我现场讲给大家，就明白了。

6.递归锁

说白了就是在一个大锁中还要再包含子锁

import threading, time

def run1():
    print("grab the first part data")
    lock.acquire()
    global num
    num += 1
    lock.release()
    return num

def run2():
    print("grab the second part data")
    lock.acquire()
    global num2
    num2 += 1
    lock.release()
    return num2

def run3():
    lock.acquire()
    res = run1()
    print('--------between run1 and run2-----')
    res2 = run2()
    lock.release()
    print(res, res2)

if __name__ == '__main__':

    num, num2 = 0, 0
    lock = threading.RLock()
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=run3)
        t.start()

while threading.active_count() != 1:
    print(threading.active_count())
else:
    print('----all threads done---')
    print(num, num2)

threading.RLock和threading.Lock 的区别：

RLock允许在同一线程中被多次acquire。而Lock却不允许这种情况。 如果使用RLock，那么acquire和release必须成对出现，即调用了n次acquire，必须调用n次的release才能真正释放所占用的琐。

import threading
lock = threading.Lock()    #Lock对象
lock.acquire()
lock.acquire()  #产生了死琐。
lock.release()
lock.release()

import threading
rLock = threading.RLock()  #RLock对象
rLock.acquire()
rLock.acquire()    #在同一线程内，程序不会堵塞。
rLock.release()
rLock.release()

7.信号量

互斥锁同时只允许一个线程更改数据，而Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据，比如厕所有3个坑，那最多只允许3个人上厕所，后面的人只能等里面有人出来了才能再进去。

import threading,time

def run(n):
    semaphore.acquire()
    time.sleep(1)
    print("run the thread: %s\n" %n)
    semaphore.release()

if __name__ == '__main__':

    num= 0
    semaphore  = threading.BoundedSemaphore(5) #最多允许5个线程同时运行
    for i in range(20):
        t = threading.Thread(target=run,args=(i,))
        t.start()

while threading.active_count() != 1:
    pass #print threading.active_count()
else:
    print('----all threads done---')
    print(num)

8.event

Event是线程间通信最间的机制之一：一个线程发送一个event信号，其他的线程则等待这个信号。用于主线程控制其他线程的执行。 Events 管理一个flag，这个flag可以使用set()设置成True或者使用clear()重置为False，wait()则用于阻塞，在flag为True之前。flag默认为False。

• Event.wait([timeout]) ：堵塞线程，直到Event对象内部标识位被设为True或超时（如果提供了参数timeout）。
• Event.set() ：将标识位设为Ture
• Event.clear() ：将标识伴设为False。
• Event.isSet() ：判断标识位是否为Ture。

当线程执行的时候，如果flag为False，则线程会阻塞，当flag为True的时候，线程不会阻塞。它提供了本地和远程的并发性。

import threading,time
import random
def light():
    if not event.isSet():
        event.set() #wait就不阻塞 #绿灯状态
    count = 0
    while True:
        if count < 10:
            print('\033[42;1m--green light on---\033[0m')
        elif count <13:
            print('\033[43;1m--yellow light on---\033[0m')
        elif count <20:
            if event.isSet():
                event.clear()
            print('\033[41;1m--red light on---\033[0m')
        else:
            count = 0
            event.set() #打开绿灯
        time.sleep(1)
        count +=1
def car(n):
    while 1:
        time.sleep(random.randrange(10))
        if  event.isSet(): #绿灯
            print("car [%s] is running.." % n)
        else:
            print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)
if __name__ == '__main__':
    event = threading.Event()
    Light = threading.Thread(target=light)
    Light.start()
    for i in range(3):
        t = threading.Thread(target=car,args=(i,))
        t.start()

9.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（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。

队列的优点：

• 程序解耦；（使程序直接实现松耦合）
• 提高效率

一些常用方法：

• task_done()

意味着之前入队的一个任务已经完成。每一个get()调用得到一个任务，接下来的task_done()调用告诉队列该任务已经处理完毕。

如果当前一个join()正在阻塞，它将在队列中的所有任务都处理完时恢复执行（即每一个由put()调用入队的任务都有一个对应的task_done()调用）。

• join()

阻塞调用线程，直到队列中的所有任务被处理掉。

只要有数据被加入队列，未完成的任务数就会增加。当线程调用task_done()（意味着有线程取得任务并完成任务），未完成的任务数就会减少。当未完成的任务数降到0，join()解除阻塞。

• put(item[, block[, timeout]])

将item放入队列中。

1. 如果可选的参数block为True且timeout为空对象（默认的情况，阻塞调用，无超时）。

2. 如果timeout是个正整数，阻塞调用进程最多timeout秒，如果一直无空空间可用，抛出Full异常（带超时的阻塞调用）。

3. 如果block为False，如果有空闲空间可用将数据放入队列，否则立即抛出Full异常

其非阻塞版本为put_nowait等同于put(item, False)

• get([block[, timeout]])

从队列中移除并返回一个数据。block跟timeout参数同put方法

其非阻塞方法为｀get_nowait()｀相当与get(False)

• empty()

如果队列为空，返回True,反之返回False

先入先出：

#先入先出
import queue
q = queue.Queue()
for i in range(5):
    q.put(i)
while not q.empty():
    print(q.get())

#输出结果
#0
#1
#2
#3
#4

后入先出：

#后入先出
import queue
q = queue.LifoQueue()
for i in range(5):
    q.put(i)
while not q.empty():
    print(q.get())
#输出结果
#4
#3
#2
#1
#0

优先级队列：

import queue

q = queue.PriorityQueue()

q.put((-1,"cc"))
q.put((3,"dd"))
q.put((10,"aa"))
q.put((6,"ww"))

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())

#输出结果
#(-1, 'cc')
#(3, 'dd')
#(6, 'ww')
#(10, 'aa')

Python的多线程不适合CPU密集操作型的任务，适合IO操作密集型的任务