Python線程threading(Thread類)

前言

幾乎所有的操作系統都支持同時運行多個任務，每個任務通常是一個程序，每一個運行中的程序就是一個進程，即進程是應用程序的執行實例。現代的操作系統幾乎都支持多進程並發執行。註意，並發和並行是兩個概念，並行指在同一時刻有多條指令在多個處理器上同時執行；並發是指在同一時刻隻能有一條指令執行，但多個進程指令被快速輪換執行，使得在宏觀上具有多個進程同時執行的效果。
例如，程序員一邊開著開發工具在寫程序，一邊開著參考手冊備查，同時還使用電腦播放音樂……除此之外，每臺電腦運行時還有大量底層的支撐性程序在運行……這些進程看上去像是在同時工作。但事實的真相是，對於一個 CPU 而言，在某個時間點它隻能執行一個程序。也就是說，隻能運行一個進程，CPU 不斷地在這些進程之間輪換執行。那麼，為什麼用戶感覺不到任何中斷呢？這是因為相對人的感覺來說，CPU 的執行速度太快瞭（如果啟動的程序足夠多，則用戶依然可以感覺到程序的運行速度下降瞭）。所以，雖然 CPU 在多個進程之間輪換執行，但用戶感覺到好像有多個進程在同時執行。

線程是進程的組成部分，一個進程可以擁有多個線程。在多線程中，會有一個主線程來完成整個進程從開始到結束的全部操作，而其他的線程會在主線程的運行過程中被創建或退出。當進程被初始化後，主線程就被創建瞭，對於絕大多數的應用程序來說，通常僅要求有一個主線程，但也可以在進程內創建多個順序執行流，這些順序執行流就是線程。當一個進程裡隻有一個線程時，叫作單線程。超過一個線程就叫作多線程。每個線程必須有自己的父進程，且它可以擁有自己的堆棧、程序計數器和局部變量，但不擁有系統資源，因為它和父進程的其他線程共享該進程所擁有的全部資源。線程可以完成一定的任務，可以與其他線程共享父進程中的共享變量及部分環境，相互之間協同完成進程所要完成的任務。多個線程共享父進程裡的全部資源，會使得編程更加方便，需要註意的是，要確保線程不會妨礙同一進程中的其他線程。線程是獨立運行的，它並不知道進程中是否還有其他線程存在。線程的運行是搶占式的，也就是說，當前運行的線程在任何時候都可能被掛起，以便另外一個線程可以運行。多線程也是並發執行的，即同一時刻，Python 主程序隻允許有一個線程執行，這和全局解釋器鎖有關系，後續會做詳細介紹。
一個線程可以創建和撤銷另一個線程，同一個進程中的多個線程之間可以並發運行。從邏輯的角度來看，多線程存在於一個應用程序中，讓一個應用程序可以有多個執行部分同時執行，但操作系統無須將多個線程看作多個獨立的應用，對多線程實現調度和管理以及資源分配，線程的調度和管理由進程本身負責完成。

簡而言之，進程和線程的關系是這樣的：操作系統可以同時執行多個任務，每一個任務就是一個進程，進程可以同時執行多個任務，每一個任務就是一個線程。

Python創建線程 threading

Python 中，有關線程開發的部分被單獨封裝到瞭模塊中，和線程相關的模塊有以下 2 個：
​​​_thread​​​：是 Python 3 以前版本中 thread 模塊的重命名，此模塊僅提供瞭低級別的、原始的線程支持，以及一個簡單的鎖。功能比較有限。正如它的名字所暗示的（以 _ 開頭），一般不建議使用 thread 模塊；
​​​threading​​：Python 3 之後的線程模塊，提供瞭功能豐富的多線程支持，推薦使用。

本節就以 threading 模塊為例進行講解。Python 主要通過兩種方式來創建線程：

• 使用 threading 模塊中 Thread 類的構造器創建線程。即直接對類 threading.Thread 進行實例化創建線程，並調用實例化對象的 start() 方法啟動線程。
• 繼承 threading 模塊中的 Thread 類創建線程類。即用 threading.Thread 派生出一個新的子類，將新建類實例化創建線程，並調用其 start() 方法啟動線程。

調用Thread類的構造器創建線程

Thread 類提供瞭如下的 ​​__init__()​​​構造器，可以用來創建線程：​​__init__(self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs=None, *,daemon=None)​​ 此構造方法中，以上所有參數都是可選參數，即可以使用，也可以忽略。其中各個參數的含義如下：

• group：指定所創建的線程隸屬於哪個線程組（此參數尚未實現，無需調用）；
• target：指定所創建的線程要調度的目標方法（最常用）；
• args：以元組的方式，為 target 指定的方法傳遞參數；
• kwargs：以字典的方式，為 target 指定的方法傳遞參數；
• daemon：指定所創建的線程是否為後代線程。
  這些參數，初學者隻需記住 target、args、kwargs 這 3 個參數的功能即可。

下面程序演示瞭如何使用 Thread 類的構造方法創建一個線程：

import threading
#定義線程要調用的方法，*add可接收多個以非關鍵字方式傳入的參數
def action(*add):
for arc in add:
#調用 getName() 方法獲取當前執行該程序的線程名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為線程方法傳入的參數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
"http://c.biancheng.net/shell/",\
"http://c.biancheng.net/java/")
#創建線程
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)

有關 Thread 類提供的和線程有關的方法，可閱讀​ ​Python Thread手冊​​​，由於不是本節重點，這裡不再進行詳細介紹。
由此就創建好瞭一個線程。但是線程需要手動啟動才能運行，threading 模塊提供瞭 start() 方法用來啟動線程。因此在上面程序的基礎上，添加如下語句：thread.start()
再次執行程序，

其輸出結果為：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/

可以看到，新創建的 thread 線程（線程名為 Thread-1）執行瞭 action() 函數。
默認情況下，主線程的名字為 MainThread，用戶啟動的多個線程的名字依次為 Thread-1、Thread-2、Thread-3、…、Thread-n 等。

為瞭使 thread 線程的作用更加明顯，可以繼續在上面程序的基礎上添加如下代碼，讓主線程和新創建線程同時工作：

for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

再次執行程序，其輸出結果為：

MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/python/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/shell/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread

可以看到，當前程序中有 2 個線程，分別為主線程 MainThread 和子線程 Thread-1，它們以並發方式執行，即 Thread-1 執行一段時間，然後 MainThread 執行一段時間。通過輪流獲得 CPU 執行一段時間的方式，程序的執行在多個線程之間切換，從而給用戶一種錯覺，即多個線程似乎同時在執行。
如果程序中不顯式創建任何線程，則所有程序的執行，都將由主線程 MainThread 完成，程序就隻能按照順序依次執行。

繼承Thread類創建線程類

通過繼承 Thread 類，我們可以自定義一個線程類，從而實例化該類對象，獲得子線程。需要註意的是，在創建 Thread 類的子類時，必須重寫從父類繼承得到的 run() 方法。因為該方法即為要創建的子線程執行的方法，其功能如同第一種創建方法中的 action() 自定義函數。

下面程序，演示瞭如何通過繼承 Thread 類創建並啟動一個線程：

import threading
#創建子線程類，繼承自 Thread 類
class my_Thread(threading.Thread):
def __init__(self,add):
threading.Thread.__init__(self)
self.add = add
# 重寫run()方法
def run(self):
for arc in self.add:
#調用 getName() 方法獲取當前執行該程序的線程名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為 run() 方法傳入的參數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
"http://c.biancheng.net/shell/",\
"http://c.biancheng.net/java/")
#創建子線程
mythread = my_Thread(my_tuple)
#啟動子線程
mythread.start()
#主線程執行此循環
for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

程序執行結果為：

MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/python/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/shell/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread

此程序中，子線程 Thread-1 執行的是 run() 方法中的代碼，而 MainThread 執行的是主程序中的代碼，它們以快速輪換 CPU 的方式在執行。

Thread join()用法

如何通過 Thread 類創建並啟動一個線程，當時給讀者用如下的程序進行演示：

import threading
#定義線程要調用的方法，*add可接收多個以非關鍵字方式傳入的參數
def action(*add):
    for arc in add:
        #調用 getName() 方法獲取當前執行該程序的線程名
        print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為線程方法傳入的參數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
            "http://c.biancheng.net/shell/",\
            "http://c.biancheng.net/java/")
#創建線程
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)
#啟動線程
thread.start()
#主線程執行如下語句
for i in range(5):
    print(threading.current_thread().getName())

程序執行結果為（不唯一）：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/MainThread
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/MainThread
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/MainThread
MainThread
MainThread

可以看到，我們用 Thread 類創建瞭一個線程（線程名為 Thread-1），其任務是執行 action() 函數。同時，我們也給主線程 MainThread 安排瞭循環任務（第 16、17 行）。通過前面的學習我們知道，主線程 MainThread 和子線程 Thread-1 會輪流獲得 CPU 資源，因此該程序的輸出結果才會向上面顯示的這樣。
但是，如果我們想讓 Thread-1 子線程先執行，然後再讓 MainThread 執行第 16、17 行代碼，該如何實現呢？很簡單，通過調用線程對象的 join() 方法即可。
join() 方法的功能是在程序指定位置，優先讓該方法的調用者使用 CPU 資源。該方法的語法格式如下：thread.join( [timeout] )

其中，thread 為 Thread 類或其子類的實例化對象；timeout 參數作為可選參數，其功能是指定 thread 線程最多可以霸占 CPU 資源的時間（以秒為單位），如果省略，則默認直到 thread 執行結束（進入死亡狀態）才釋放 CPU 資源。

舉個例子，修改上面的代碼，如下所示：

import threading
#定義線程要調用的方法，*add可接收多個以非關鍵字方式傳入的參數
def action(*add):
for arc in add:
#調用 getName() 方法獲取當前執行該程序的線程名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為線程方法傳入的參數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
"http://c.biancheng.net/shell/",\
"http://c.biancheng.net/java/")
#創建線程
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)
#啟動線程
thread.start()
#指定 thread 線程優先執行完畢
thread.join()
#主線程執行如下語句
for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

程序執行結果為：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread
MainThread
MainThread
MainThread

程序中第 16 行的位置，thread 線程調用瞭 join() 方法，並且沒有指定具體的 timeout 參數值。這意味著如果程序想繼續往下執行，必須先執行完 thread 線程。

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