Python 多線程知識點總結及實例用法

Posted on 2021-12-05 by WalkonNet

Python 多線程

多線程類似於同時執行多個不同程序，多線程運行有如下優點：

使用線程可以把占據長時間的程序中的任務放到後臺去處理。
用戶界面可以更加吸引人，這樣比如用戶點擊瞭一個按鈕去觸發某些事件的處理，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
在一些等待的任務實現上如用戶輸入、文件讀寫和網絡收發數據等，線程就比較有用瞭。在這種情況下我們可以釋放一些珍貴的資源如內存占用等等。

線程在執行過程中與進程還是有區別的。每個獨立的進程有一個程序運行的入口、順序執行序列和程序的出口。但是線程不能夠獨立執行，必須依存在應用程序中，由應用程序提供多個線程執行控制。

每個線程都有他自己的一組CPU寄存器，稱為線程的上下文，該上下文反映瞭線程上次運行該線程的CPU寄存器的狀態。

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，這些地址都用於標志擁有線程的進程地址空間中的內存。

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：函數或者用類來包裝線程對象。

函數式：調用thread模塊中的start_new_thread()函數來產生新線程。語法如下:

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

參數說明:

function – 線程函數。
args – 傳遞給線程函數的參數,他必須是個tuple類型。
kwargs – 可選參數。

#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-
 
import thread
import time
 
# 為線程定義一個函數
def print_time( threadName, delay):
   count = 0
   while count < 5:
      time.sleep(delay)
      count += 1
      print "%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) )
 
# 創建兩個線程
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

執行以上程序輸出結果如下：

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

線程的結束一般依靠線程函數的自然結束；也可以在線程函數中調用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提供瞭低級別的、原始的線程以及一個簡單的鎖。

threading 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後、結束前，不包括啟動前和終止後的線程。
threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數量，與len(threading.enumerate())有相同的結果。

除瞭使用方法外，線程模塊同樣提供瞭Thread類來處理線程，Thread類提供瞭以下方法:

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。這阻塞調用線程直至線程的join() 方法被調用中止-正常退出或者拋出未處理的異常-或者是可選的超時發生。
isAlive(): 返回線程是否活動的。
getName(): 返回線程名。
setName(): 設置線程名。

使用Threading模塊創建線程

使用Threading模塊創建線程，直接從threading.Thread繼承，然後重寫__init__方法和run方法：

#!/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):                   #把要執行的代碼寫到run函數裡面 線程在創建後會直接運行run函數 
        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"

以上程序執行結果如下；

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據修改，則可能出現不可預料的結果，為瞭保證數據的正確性，需要對多個線程進行同步。

使用Thread對象的Lock和Rlock可以實現簡單的線程同步，這兩個對象都有acquire方法和release方法，對於那些需要每次隻允許一個線程操作的數據，可以將其操作放到acquire和release方法之間。如下：

多線程的優勢在於可以同時運行多個任務（至少感覺起來是這樣）。但是當線程需要共享數據時，可能存在數據不同步的問題。

考慮這樣一種情況：一個列表裡所有元素都是0，線程”set”從後向前把所有元素改成1，而線程”print”負責從前往後讀取列表並打印。

那麼，可能線程”set”開始改的時候，線程”print”便來打印列表瞭，輸出就成瞭一半0一半1，這就是數據的不同步。為瞭避免這種情況，引入瞭鎖的概念。

鎖有兩種狀態——鎖定和未鎖定。每當一個線程比如”set”要訪問共享數據時，必須先獲得鎖定；如果已經有別的線程比如”print”獲得鎖定瞭，那麼就讓線程”set”暫停，也就是同步阻塞；等到線程”print”訪問完畢，釋放鎖以後，再讓線程”set”繼續。

經過這樣的處理，打印列表時要麼全部輸出0，要麼全部輸出1，不會再出現一半0一半1的尷尬場面。

#!/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，成功獲得鎖定後返回True
       # 可選的timeout參數不填時將一直阻塞直到獲得鎖定
       # 否則超時後將返回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"

線程優先級隊列（ Queue）

Python的Queue模塊中提供瞭同步的、線程安全的隊列類，包括FIFO（先入先出)隊列Queue，LIFO（後入先出）隊列LifoQueue，和優先級隊列PriorityQueue。這些隊列都實現瞭鎖原語，能夠在多線程中直接使用。可以使用隊列來實現線程間的同步。

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() 如果隊列滿瞭，返回True,反之False
Queue.full 與 maxsize 大小對應
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() 在完成一項工作之後，Queue.task_done()函數向任務已經完成的隊列發送一個信號
Queue.join() 實際上意味著等到隊列為空，再執行別的操作

#!/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"

以上程序執行結果：

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

實例擴展：

加鎖時

# -*-* encoding:UTF-8 -*-
# author : shoushixiong
# date   : 2018/11/22
import threading
import time
list = [0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]
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 "開始線程:",self.name
        # 獲得鎖，成功獲得鎖定後返回 True
        # 可選的timeout參數不填時將一直阻塞直到獲得鎖定
        # 否則超時後將返回 False
        threadLock.acquire()
        print_time(self.name,self.counter,list.__len__())
        # 釋放鎖
        threadLock.release()
    def __del__(self):
        print self.name,"線程結束！"
def print_time(threadName,delay,counter):
    while counter:
        time.sleep(delay)
        list[counter-1] += 1
        print "[%s] %s 修改第 %d 個值，修改後值為:%d" % (time.ctime(time.time()),threadName,counter,list[counter-1])
        counter -= 1
threadLock = threading.Lock()
threads = []
# 創建新線程
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 "主進程結束！"

輸出結果為：

開始線程: Thread-1
開始線程: Thread-2
[Thu Nov 22 16:04:13 2018] Thread-1 修改第 12 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:14 2018] Thread-1 修改第 11 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:15 2018] Thread-1 修改第 10 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:16 2018] Thread-1 修改第 9 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:17 2018] Thread-1 修改第 8 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:18 2018] Thread-1 修改第 7 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:19 2018] Thread-1 修改第 6 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:20 2018] Thread-1 修改第 5 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:21 2018] Thread-1 修改第 4 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:22 2018] Thread-1 修改第 3 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:23 2018] Thread-1 修改第 2 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:24 2018] Thread-1 修改第 1 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:04:26 2018] Thread-2 修改第 12 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:28 2018] Thread-2 修改第 11 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:30 2018] Thread-2 修改第 10 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:32 2018] Thread-2 修改第 9 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:34 2018] Thread-2 修改第 8 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:36 2018] Thread-2 修改第 7 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:38 2018] Thread-2 修改第 6 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:40 2018] Thread-2 修改第 5 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:42 2018] Thread-2 修改第 4 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:44 2018] Thread-2 修改第 3 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:46 2018] Thread-2 修改第 2 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:04:48 2018] Thread-2 修改第 1 個值，修改後值為:2
主進程結束！
Thread-1 線程結束！
Thread-2 線程結束！

不加鎖時

同樣是上面實例的代碼，註釋以下兩行代碼：

threadLock.acquire()
threadLock.release()

輸出結果為：

開始線程: Thread-1
開始線程: Thread-2
[Thu Nov 22 16:09:20 2018] Thread-1 修改第 12 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:21 2018] Thread-2 修改第 12 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:21 2018] Thread-1 修改第 11 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:22 2018] Thread-1 修改第 10 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:23 2018] Thread-1 修改第 9 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:23 2018] Thread-2 修改第 11 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:24 2018] Thread-1 修改第 8 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:25 2018] Thread-2 修改第 10 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:25 2018] Thread-1 修改第 7 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:26 2018] Thread-1 修改第 6 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:27 2018] Thread-2 修改第 9 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:27 2018] Thread-1 修改第 5 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:28 2018] Thread-1 修改第 4 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:29 2018] Thread-2 修改第 8 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:29 2018] Thread-1 修改第 3 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:30 2018] Thread-1 修改第 2 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:31 2018] Thread-2 修改第 7 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:31 2018] Thread-1 修改第 1 個值，修改後值為:1
[Thu Nov 22 16:09:33 2018] Thread-2 修改第 6 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:35 2018] Thread-2 修改第 5 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:37 2018] Thread-2 修改第 4 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:39 2018] Thread-2 修改第 3 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:41 2018] Thread-2 修改第 2 個值，修改後值為:2
[Thu Nov 22 16:09:43 2018] Thread-2 修改第 1 個值，修改後值為:2
主進程結束！
Thread-1 線程結束！
Thread-2 線程結束！

RLock(遞歸鎖，可重入鎖)

當一個線程中遇到鎖嵌套情況該怎麼辦，又會遇到什麼情況？

def run1():
  global count1
  lock.acquire()
  count1 += 1
  lock.release()
  return count1
def run2():
  global count2
  lock.acquire()
  count2 += 1
  lock.release()
  return count2
def runtask():
  lock.acquire()
  r1 = run1()
  print("="*30)
  r2 = run2()
  lock.release()
  print(r1,r2)
count1,count2 = 0,0
lock = threading.Lock()
for index in range(50):
  t = threading.Thread(target=runtask,)
  t.start()

這是一個很簡單的線程鎖死案例，程序將被卡死，停止不動。為瞭解決這一情況，Python提供瞭遞歸鎖RLock(可重入鎖)。這個RLock內部維護著一個Lock和一個counter變量，counter記錄瞭acquire的次數，從而使得資源可以被多次require。直到一個線程所有的acquire都被release，其他的線程才能獲得資源。上面的代碼隻需做一些小小的改動

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