python进阶学习（四）

在使用多线程之前，我们首页要理解什么是进程和线程。

什么是进程？

计算机程序只不过是磁盘中可执行的，二进制（或其它类型）的数据。它们只有在被读取到内存中，被操作系统调用的时候才开始它们的生命期。进程（有时被称为重量级进程）是程序的一次执行。每个进程都有自己的地址空间，内存，数据栈以及其它记录其运行轨迹的辅助数据。操作系统管理在其上运行的所有进程，并为这些进程公平地分配时间。

什么是线程？

线程（有时被称为轻量级进程）跟进程有些相似，不同的是，所有的线程运行在同一个进程中，共享相同的运行环境。我们可以想像成是在主进程或“主线程”中并行运行的“迷你进程”。

7.2.1、单线程

　　在单线程中顺序执行两个循环。一定要一个循环结束后，另一个才能开始。总时间是各个循环运行时间之和。

onetherad.py

from time import sleep, ctime 

def loop0():
    print 'start loop 0 at:', ctime()
    sleep(4)
    print 'loop 0 done at:', ctime() 

def loop1():
    print 'start loop 1 at:', ctime()
    sleep(2)
    print 'loop 1 done at:', ctime() 

def main():
    print 'start:', ctime()
    loop0()
    loop1()
    print 'all end:', ctime() 

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果：

start loop 0 at: Mon Dec 23 09:59:44 2013
loop 0 done at: Mon Dec 23 09:59:48 2013
start loop 1 at: Mon Dec 23 09:59:48 2013
loop 1 done at: Mon Dec 23 09:59:50 2013
all end: Mon Dec 23 09:59:50 2013

　　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。threading基于Java的线程模型设计。锁（Lock）和条件变量（Condition）在Java中是对象的基本行为（每一个对象都自带了锁和条件变量），而在Python中则是独立的对象。

7.2.1、thread模块

mtsleep1.py

import thread
from time import sleep, ctime
loops = [4,2]
def loop0():
    print 'start loop 0 at:', ctime()
    sleep(4)
    print 'loop 0 done at:', ctime() 

def loop1():
    print 'start loop 1 at:', ctime()
    sleep(2)
    print 'loop 1 done at:', ctime()

def main():
    print 'start:', ctime()
    thread.start_new_thread(loop0, ())
    thread.start_new_thread(loop1, ())
    sleep(6)
    print 'all end:', ctime() 

if __name__ == '__main__':
    main() 

　　start_new_thread()要求一定要有前两个参数。所以，就算我们想要运行的函数不要参数，我们也要传一个空的元组。

　　这个程序的输出与之前的输出大不相同，之前是运行了 6，7 秒，而现在则是 4 秒，是最长的循环的运行时间与其它的代码的时间总和。

运行结果：

start: Mon Dec 23 10:05:09 2013
start loop 0 at: Mon Dec 23 10:05:09 2013
start loop 1 at: Mon Dec 23 10:05:09 2013
loop 1 done at: Mon Dec 23 10:05:11 2013
loop 0 done at: Mon Dec 23 10:05:13 2013
all end: Mon Dec 23 10:05:15 2013

　　睡眠 4 秒和 2 秒的代码现在是并发执行的。这样，就使得总的运行时间被缩短了。你可以看到，loop1 甚至在 loop0 前面就结束了。

　　程序的一大不同之处就是多了一个“sleep(6)”的函数调用。如果我们没有让主线程停下来，那主线程就会运行下一条语句，显示“all end”，然后就关闭运行着 loop0()和 loop1()的两个线程并退出了。我们使用 6 秒是因为我们已经知道，两个线程（你知道，一个要 4 秒，一个要 2 秒）在主线程等待 6 秒后应该已经结束了。

　　你也许在想，应该有什么好的管理线程的方法，而不是在主线程里做一个额外的延时 6 秒的操作。因为这样一来，我们的总的运行时间并不比单线程的版本来得少。而且，像这样使用 sleep()函数做线程的同步操作是不可靠的。如果我们的循环的执行时间不能事先确定的话，那怎么办呢？这可能造成主线程过早或过晚退出。这就是锁的用武之地了。

mtsleep2.py

#coding=utf-8
import thread
from time import sleep, ctime 

loops = [4,2] 

def loop(nloop, nsec, lock):
    print 'start loop', nloop, 'at:', ctime()
    sleep(nsec)
    print 'loop', nloop, 'done at:', ctime()
    #解锁
    lock.release() 

def main():
    print 'starting at:', ctime()
    locks =[]
    #以loops数组创建列表，并赋值给nloops
    nloops = range(len(loops)) 

    for i in nloops:
        lock = thread.allocate_lock()
        #锁定
        lock.acquire()
        #追加到locks[]数组中
        locks.append(lock)

    #执行多线程
    for i in nloops:
        thread.start_new_thread(loop,(i,loops[i],locks[i]))

    for i in nloops:
        while locks[i].locked():
            pass

    print 'all end:', ctime() 

if __name__ == '__main__':
    main()

thread.allocate_lock()

　　返回一个新的锁定对象。

acquire() /release()

　　一个原始的锁有两种状态，锁定与解锁，分别对应acquire()和release() 方法。

range()

　　range()函数来创建列表包含算术级数。

range(len(loops))理解：

>>> aa= "hello"

#长度计算
>>> len(aa)
5

#创建列表
>>> range(len(aa))
[0, 1, 2, 3, 4]

#循环输出列表元素
>>> for a in range(len(aa)):
    print a

0
1
2
3
4

　　我们先调用 thread.allocate_lock()函数创建一个锁的列表，并分别调用各个锁的 acquire()函数获得锁。获得锁表示“把锁锁上”。锁上后，我们就把锁放到锁列表 locks 中。

　　下一个循环创建线程，每个线程都用各自的循环号，睡眠时间和锁为参数去调用 loop()函数。为什么我们不在创建锁的循环里创建线程呢？有以下几个原因：(1) 我们想到实现线程的同步，所以要让“所有的马同时冲出栅栏”。(2) 获取锁要花一些时间，如果你的线程退出得“太快”，可能会导致还没有获得锁，线程就已经结束了的情况。

　　在线程结束的时候，线程要自己去做解锁操作。最后一个循环只是坐在那一直等（达到暂停主线程的目的），直到两个锁都被解锁为止才继续运行。

mtsleep2.py运行结果：

starting at: Mon Dec 23 20:57:26 2013
start loop start loop0  1at:  at:Mon Dec 23 20:57:26 2013
Mon Dec 23 20:57:26 2013
loop 1 done at: Mon Dec 23 20:57:28 2013
loop 0 done at: Mon Dec 23 20:57:30 2013
all end: Mon Dec 23 20:57:30 2013

7.2.1、threading模块

　　我们应该避免使用thread模块，原因是它不支持守护线程。当主线程退出时，所有的子线程不论它们是否还在工作，都会被强行退出。有时我们并不期望这种行为，这时就引入了守护线程的概念。threading模块则支持守护线程。

mtsleep3.py

#coding=utf-8
import threading
from time import sleep, ctime 

loops = [4,2] 

def loop(nloop, nsec):
    print 'start loop', nloop, 'at:', ctime()
    sleep(nsec)
    print 'loop', nloop, 'done at:', ctime()

def main():
    print 'starting at:', ctime()
    threads = []
    nloops = range(len(loops)) 

    #创建线程
    for i in nloops:
        t = threading.Thread(target=loop,args=(i,loops[i]))
        threads.append(t)

    #开始线程
    for i in nloops:
        threads[i].start()

    #等待所有结束线程
    for i in nloops:
        threads[i].join()

    print 'all end:', ctime() 

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果：

starting at: Mon Dec 23 22:58:55 2013
start loop 0 at: Mon Dec 23 22:58:55 2013
start loop 1 at: Mon Dec 23 22:58:55 2013
loop 1 done at: Mon Dec 23 22:58:57 2013
loop 0 done at: Mon Dec 23 22:58:59 2013
all end: Mon Dec 23 22:58:59 2013

start()

　　开始线程活动

join()

　　等待线程终止

　　所有的线程都创建了之后，再一起调用 start()函数启动，而不是创建一个启动一个。而且，不用再管理一堆锁（分配锁，获得锁，释放锁，检查锁的状态等），只要简单地对每个线程调用 join()函数就可以了。

join()会等到线程结束，或者在给了 timeout 参数的时候，等到超时为止。join()的另一个比较重要的方面是它可以完全不用调用。一旦线程启动后，就会一直运行，直到线程的函数结束，退出为止。

使用可调用的类

mtsleep4.py

#coding=utf-8
import threading
from time import sleep, ctime 

loops = [4,2] 

class ThreadFunc(object):

    def __init__(self,func,args,name=''):
        self.name=name
        self.func=func
        self.args=args

    def __call__(self):
        apply(self.func,self.args)

def loop(nloop,nsec):
    print "seart loop",nloop,'at:',ctime()
    sleep(nsec)
    print 'loop',nloop,'done at:',ctime()

def main():
    print 'starting at:',ctime()
    threads=[]
    nloops = range(len(loops))

    for i in nloops:
        #调用ThreadFunc实例化的对象，创建所有线程
        t = threading.Thread(
            target=ThreadFunc(loop,(i,loops[i]),loop.__name__))
        threads.append(t)

    #开始线程
    for i in nloops:
        threads[i].start()

    #等待所有结束线程
    for i in nloops:
        threads[i].join()

    print 'all end:', ctime() 

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果：

starting at: Tue Dec 24 16:39:16 2013
seart loop 0 at: Tue Dec 24 16:39:16 2013
seart loop 1 at: Tue Dec 24 16:39:16 2013
loop 1 done at: Tue Dec 24 16:39:18 2013
loop 0 done at: Tue Dec 24 16:39:20 2013
all end: Tue Dec 24 16:39:20 2013

创建新线程的时候，Thread 对象会调用我们的ThreadFunc 对象，这时会用到一个特殊函数__call__()。由于我们已经有了要用的参数，所以就不用再传到 Thread()的构造函数中。由于我们有一个参数的元组，这时要在代码中使用 apply()函数。

我们传了一个可调用的类(的实例)，而不是仅传一个函数。

__init__()

方法在类的一个对象被建立时运行。这个方法可以用来对你的对象做一些初始化。

apply()

apply(func [, args [, kwargs ]]) 函数用于当函数参数已经存在于一个元组或字典中时，间接地调用函数。args是一个包含将要提供给函数的按位置传递的参数的元组。如果省略了args，任何参数都不会被传递，kwargs是一个包含关键字参数的字典。

apply() 用法：

#不带参数的方法
>>> def say():
    print 'say in'

>>> apply(say)
say in

#函数只带元组的参数
>>> def say(a,b):
    print a,b

>>> apply(say,('hello','虫师'))
hello 虫师

#函数带关键字参数
>>> def say(a=1,b=2):
    print a,b

>>> def haha(**kw):
    apply(say,(),kw)

>>> haha(a='a',b='b')
a b