Python 多線程

Python 多線程

多線程類似于同時執(zhí)行多個不同程序，多線程運行有如下優(yōu)點：

• 使用線程可以把占據(jù)長時間的程序中的任務(wù)放到后臺去處理。
• 用戶界面可以更加吸引人，這樣比如用戶點擊了一個按鈕去觸發(fā)某些事件的處理，可以彈出一個進度條來顯示處理的進度
• 程序的運行速度可能加快
• 在一些等待的任務(wù)實現(xiàn)上如用戶輸入、文件讀寫和網(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)行過程中與進程還是有區(qū)別的。每個獨立的線程有一個程序運行的入口、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)用程序提供多個線程執(zhí)行控制。

每個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最重要的寄存器，線程總是在進程得到上下文中運行的，這些地址都用于標志擁有線程的進程地址空間中的內(nèi)存。

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

開始學習 Python 線程

Python 中使用線程有兩種方式：函數(shù)或者用類來包裝線程對象。

函數(shù)式：調(diào)用 thread 模塊中的 start_new_thread() 函數(shù)來產(chǎn)生新線程。語法如下:

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

參數(shù)說明:

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

實例：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-


import thread
import time


# 為線程定義一個函數(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，達到退出線程的目的。

線程模塊

Python 通過兩個標準庫 thread 和 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。

thread 模塊提供的其他方法：

• 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。正在運行指線程啟動后、結(jié)束前，不包括啟動前和終止后的線程。
• threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數(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(): 啟動線程活動。

• 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-或者是可選的超時發(fā)生。
• isAlive():  返回線程是否活動的。
• 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 __init__ 方法和 run() 方法：

#coding=utf-8
#!/usr/bin/python

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)行的代碼寫到run函數(shù)里面 線程在創(chuàng)建后會直接運行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:
            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

如果多個線程共同對某個數(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，需要對多個線程進行同步。

使用 Thread 對象的 Lock 和 Rlock 可以實現(xiàn)簡單的線程同步，這兩個對象都有 acquire 方法和 release 方法，對于那些需要每次只允許一個線程操作的數(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)勢在于可以同時運行多個任務(wù)（至少感覺起來是這樣）。但是當線程需要共享數(shù)據(jù)時，可能存在數(shù)據(jù)不同步的問題。

考慮這樣一種情況：一個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" 負責從前往后讀取列表并打印。

那么，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(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。每當一個線程比如"set"要訪問共享數(shù)據(jù)時，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" 訪問完畢，釋放鎖以后，再讓線程 "set" 繼續(xù)。

經(jīng)過這樣的處理，打印列表時要么全部輸出 0，要么全部輸出 1，不會再出現(xiàn)一半 0 一半 1 的尷尬場面。

實例：

#coding=utf-8
#!/usr/bin/python

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)不填時將一直阻塞直到獲得鎖定
       # 否則超時后將返回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（后入先出）隊列 LifoQueue，和優(yōu)先級隊列 PriorityQueue。這些隊列都實現(xiàn)了鎖原語，能夠在多線程中直接使用?？梢允褂藐犃衼韺崿F(xiàn)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() 如果隊列為空，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(yīng)
• 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() 在完成一項工作之后，Queue.task_done() 函數(shù)向任務(wù)已經(jīng)完成的隊列發(fā)送一個信號
• Queue.join() 實際上意味著等到隊列為空，再執(zhí)行別的操作

實例:

#coding=utf-8
#!/usr/bin/python

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 "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