Python3多线程基础知识点
多线程类似于同时执行多个不同程序,多线程运行有如下优点:
- 使用线程可以把占据长时间的程序中的任务放到后台去处理。
- 用户界面可以更加吸引人,比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理,可以弹出一个进度条来显示处理的进度
- 程序的运行速度可能加快
- 在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等,线程就比较有用了。在这种情况下我们可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。
线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
每个线程都有他自己的一组CPU寄存器,称为线程的上下文,该上下文反映了线程上次运行该线程的CPU寄存器的状态。
指令指针和堆栈指针寄存器是线程上下文中两个最重要的寄存器,线程总是在进程得到上下文中运行的,这些地址都用于标志拥有线程的进程地址空间中的内存。
- 线程可以被抢占(中断)。
- 在其他线程正在运行时,线程可以暂时搁置(也称为睡眠)--这就是线程的退让。
线程可以分为:
- 内核线程:由操作系统内核创建和撤销。
- 用户线程:不需要内核支持而在用户程序中实现的线程。
Python3线程中常用的两个模块为:
- _thread
- threading(推荐使用)
thread模块已被废弃。用户可以使用threading模块代替。所以,在Python3中不能再使用"thread"模块。为了兼容性,Python3将thread重命名为"_thread"。
开始学习Python线程
Python中使用线程有两种方式:函数或者用类来包装线程对象。
函数式:调用_thread模块中的start_new_thread()函数来产生新线程。语法如下:
_thread.start_new_thread(function,args[,kwargs])
参数说明:
- function-线程函数。
- args-传递给线程函数的参数,他必须是个tuple类型。
- kwargs-可选参数。
实例:
#!/usr/bin/python3 import_thread importtime #为线程定义一个函数 defprint_time(threadName,delay): count=0 whilecount<5: time.sleep(delay) count+=1 print("%s:%s"%(threadName,time.ctime(time.time()))) #创建两个线程 try: _thread.start_new_thread(print_time,("Thread-1",2,)) _thread.start_new_thread(print_time,("Thread-2",4,)) except: print("Error:无法启动线程") while1: pass
执行以上程序输出结果如下:
Thread-1:WedApr611:36:312016 Thread-1:WedApr611:36:332016 Thread-2:WedApr611:36:332016 Thread-1:WedApr611:36:352016 Thread-1:WedApr611:36:372016 Thread-2:WedApr611:36:372016 Thread-1:WedApr611:36:392016 Thread-2:WedApr611:36:412016 Thread-2:WedApr611:36:452016 Thread-2:WedApr611:36:492016
执行以上程后可以按下ctrl-cto退出。
线程模块
Python3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,它相比于threading模块的功能还是比较有限的。
threading模块除了包含_thread模块中的所有方法外,还提供的其他方法:
- 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。
使用threading模块创建线程
我们可以通过直接从threading.Thread继承创建一个新的子类,并实例化后调用start()方法启动新线程,即它调用了线程的run()方法:
#!/usr/bin/python3 importthreading importtime exitFlag=0 classmyThread(threading.Thread): def__init__(self,threadID,name,counter): threading.Thread.__init__(self) self.threadID=threadID self.name=name self.counter=counter defrun(self): print("开始线程:"+self.name) print_time(self.name,self.counter,5) print("退出线程:"+self.name) defprint_time(threadName,delay,counter): whilecounter: ifexitFlag: threadName.exit() time.sleep(delay) print("%s:%s"%(threadName,time.ctime(time.time()))) counter-=1 #创建新线程 thread1=myThread(1,"Thread-1",1) thread2=myThread(2,"Thread-2",2) #开启新线程 thread1.start() thread2.start() thread1.join() thread2.join() print("退出主线程")
以上程序执行结果如下;
开始线程:Thread-1 开始线程:Thread-2 Thread-1:WedApr611:46:462016 Thread-1:WedApr611:46:472016 Thread-2:WedApr611:46:472016 Thread-1:WedApr611:46:482016 Thread-1:WedApr611:46:492016 Thread-2:WedApr611:46:492016 Thread-1:WedApr611:46:502016 退出线程:Thread-1 Thread-2:WedApr611:46:512016 Thread-2:WedApr611:46:532016 Thread-2:WedApr611:46:552016 退出线程:Thread-2 退出主线程
线程同步
如果多个线程共同对某个数据修改,则可能出现不可预料的结果,为了保证数据的正确性,需要对多个线程进行同步。
使用Thread对象的Lock和Rlock可以实现简单的线程同步,这两个对象都有acquire方法和release方法,对于那些需要每次只允许一个线程操作的数据,可以将其操作放到acquire和release方法之间。如下:
多线程的优势在于可以同时运行多个任务(至少感觉起来是这样)。但是当线程需要共享数据时,可能存在数据不同步的问题。
考虑这样一种情况:一个列表里所有元素都是0,线程"set"从后向前把所有元素改成1,而线程"print"负责从前往后读取列表并打印。
那么,可能线程"set"开始改的时候,线程"print"便来打印列表了,输出就成了一半0一半1,这就是数据的不同步。为了避免这种情况,引入了锁的概念。
锁有两种状态——锁定和未锁定。每当一个线程比如"set"要访问共享数据时,必须先获得锁定;如果已经有别的线程比如"print"获得锁定了,那么就让线程"set"暂停,也就是同步阻塞;等到线程"print"访问完毕,释放锁以后,再让线程"set"继续。
经过这样的处理,打印列表时要么全部输出0,要么全部输出1,不会再出现一半0一半1的尴尬场面。
实例:
#!/usr/bin/python3 importthreading importtime classmyThread(threading.Thread): def__init__(self,threadID,name,counter): threading.Thread.__init__(self) self.threadID=threadID self.name=name self.counter=counter defrun(self): print("开启线程:"+self.name) #获取锁,用于线程同步 threadLock.acquire() print_time(self.name,self.counter,3) #释放锁,开启下一个线程 threadLock.release() defprint_time(threadName,delay,counter): whilecounter: time.sleep(delay) print("%s:%s"%(threadName,time.ctime(time.time()))) counter-=1 threadLock=threading.Lock() threads=[] #创建新线程 thread1=myThread(1,"Thread-1",1) thread2=myThread(2,"Thread-2",2) #开启新线程 thread1.start() thread2.start() #添加线程到线程列表 threads.append(thread1) threads.append(thread2) #等待所有线程完成 fortinthreads: t.join() print("退出主线程")
执行以上程序,输出结果为:
开启线程:Thread-1 开启线程:Thread-2 Thread-1:WedApr611:52:572016 Thread-1:WedApr611:52:582016 Thread-1:WedApr611:52:592016 Thread-2:WedApr611:53:012016 Thread-2:WedApr611:53:032016 Thread-2:WedApr611:53:052016 退出主线程
线程优先级队列(Queue)
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。
Queue模块中的常用方法:
Queue.qsize()返回队列的大小
Queue.empty()如果队列为空,返回True,反之False
Queue.full()如果队列满了,返回True,反之False
Queue.full与maxsize大小对应
Queue.get([block[,timeout]])获取队列,timeout等待时间
Queue.get_nowait()相当Queue.get(False)
Queue.put(item)写入队列,timeout等待时间
Queue.put_nowait(item)相当Queue.put(item,False)
Queue.task_done()在完成一项工作之后,Queue.task_done()函数向任务已经完成的队列发送一个信号
Queue.join()实际上意味着等到队列为空,再执行别的操作
实例:
#!/usr/bin/python3 importqueue importthreading importtime exitFlag=0 classmyThread(threading.Thread): def__init__(self,threadID,name,q): threading.Thread.__init__(self) self.threadID=threadID self.name=name self.q=q defrun(self): print("开启线程:"+self.name) process_data(self.name,self.q) print("退出线程:"+self.name) defprocess_data(threadName,q): whilenotexitFlag: queueLock.acquire() ifnotworkQueue.empty(): data=q.get() queueLock.release() print("%sprocessing%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 #创建新线程 fortNameinthreadList: thread=myThread(threadID,tName,workQueue) thread.start() threads.append(thread) threadID+=1 #填充队列 queueLock.acquire() forwordinnameList: workQueue.put(word) queueLock.release() #等待队列清空 whilenotworkQueue.empty(): pass #通知线程是时候退出 exitFlag=1 #等待所有线程完成 fortinthreads: t.join() print("退出主线程")
以上程序执行结果:
开启线程:Thread-1 开启线程:Thread-2 开启线程:Thread-3 Thread-3processingOne Thread-1processingTwo Thread-2processingThree Thread-3processingFour Thread-1processingFive 退出线程:Thread-3 退出线程:Thread-2 退出线程:Thread-1 退出主线程