python 系列之 - 多线程

亦凉 2022-08-21 00:21 175阅读 0赞

进程 && 线程  
进程：是内存中的一个独立的句柄,我们可以理解为一个应用程序在内存中就是一个进程。 各个进程之间是内存相互独立，不可共享的  
线程：每个应用运行之后就会对应启动一个主线程,通过主线程可以创建多个字线程，各个线程共享主进程的内存空间。  
关于线程、进程的解释有一篇有趣而生动的解释([http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes\_and\_threads.html][http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_04_processes_and_threads.html])

GIL(全局解释器锁)  
我们知道多进程(mutilprocess) 和 多线程(threading)的目的是用来被多颗CPU进行访问, 提高程序的执行效率。 但是在python内部存在一种机制（GIL），在多线程 时同一时刻只允许一个线程来访问CPU。  
GIL 并不是Python的特性，它是在实现Python解析器(CPython)时所引入的一个概念。就好比C++是一套语言（语法）标准，但是可以用不同的编译器来编译成可执行代码。有名的编译器例如GCC，INTEL C++，Visual C++等。  
Python也一样，同样一段代码可以通过CPython，PyPy，Psyco等不同的Python执行环境来执行。像其中的JPython就没有GIL。然而因为CPython是大部分环境下默认的Python执行环境。所以在很多人的概念里CPython就是Python，也就想当然的把 GIL 归结为Python语言的缺陷。所以这里要先明确一点：GIL并不是Python的特性，Python完全可以不依赖于GIL。  
![GIL原理图][GIL]

虽然python支持多线程，但是由于GIL的限制，在实际运行时，程序运行后开启多个线程，但在通过GIL后同时也只能有一个线程被CPU执行。

**多线程**  
**1）多线程执行方法**

import time
    from threading import Thread
    
    def do_thread(num):
        print("this is thread %s" % str(num))
        time.sleep(3)
    
    for i in range(5):
        t = Thread(target=do_thread, args=(i,))
        t.start()

以上方法就开启了一个5个线程，target用来定义开启线程后要执行的方法，args为参数

线程的其它方法：

**1 setName(), getName()**  
  *setName():*   给线程设置一个名字  
  *getName():*   获取线程的名称

import time
    from threading import Thread
    
    def do_thread(num):
        print("this is thread %s" % str(num))
        time.sleep(3)
    
    for i in range(2):
        t = Thread(target=do_thread, args=(i,))
        t.start()
        t.setName("Mythread_{0}".format(str(i)))
        print(t.getName())
    
    run result：
        this is thread 0
        Mythread_0
        this is thread 1
        Mythread_1

**2 setDaemon()**  
setDaemon(True/False): 设置创建的子线程为前台线程或后台线程.设置为True则子线程为后台线程。线程默认为前台线程（不设置此方法）  
前台线程： 当子线程创建完成后，主线程和子线程(前台线程)同时运行，如果主线程执行完成，而子线程还未完成则等待子线程执行完成以后整个程序才结束。  
后台线程： 当子线程创建完成后，如果子线程还未结束，而主线程运行结束则不管子线程了，程序就结束。  
此方法设置必须在 start() 方法前进行设置, 看代码：

import time
    from threading import Thread
    
    def do_thread(num):
        print("this is thread %s" % str(num))
        time.sleep(3)
        print("OK", str(num))
    
    for i in range(2):
        t = Thread(target=do_thread, args=(i,))
        # 不设置此方法默认前台线程,
        #t.setDaemon(True)
        t.setName("Mythread_{0}".format(str(i)))
        t.start()
        print(t.getName())
    run result：
    this is thread 0
    Mythread_0
    this is thread 1
    Mythread_1
    OK 0
    OK 1

import time
    from threading import Thread
    
    def do_thread(num):
        print("this is thread %s" % str(num))
        time.sleep(3)
        # 执行到此时主线程执行完了，程序结束，下面的代码不会执行
        print("OK", str(num))
    
    for i in range(2):
        t = Thread(target=do_thread, args=(i,))
        # 设置线程为后台线程
        t.setDaemon(True)
        t.setName("Mythread_{0}".format(str(i)))
        t.start()
        print(t.getName())
    run result：
    this is thread 0
    Mythread_0
    this is thread 1
    Mythread_1

**3 join()**  
join(timeout) : 多线程的 wait(),当主线程执行 子线程.join() 方法后，主线程将等待子线程执行完再接着执行。当加上timeout参数后，如果超过timeout时间不管子线程有没有执行完都将结束等待  
看下面两个例子

import time
    from threading import Thread
    
    def do_thread(num):
        time.sleep(3)
        print("this is thread %s" % str(num))
    
    
    for i in range(2):
        t = Thread(target=do_thread, args=(i,))
        t.setName("Mythread_{0}".format(str(i)))
        t.start()
        print("print in main thread: thread name:", t.getName())
    run result：
     print in main thread: thread name: Mythread_0
     print in main thread: thread name: Mythread_1
     this is thread 0
     this is thread 1

上面无join方法时，主线程执行完print，等待子线程函数中的print执行完成，这个程序退出。 下面我们看看加上join方法后的效果

import time
    from threading import Thread
    
    def do_thread(num):
        time.sleep(3)
        print("this is thread %s" % str(num))
    
    for i in range(2):
        t = Thread(target=do_thread, args=(i,))
        t.setName("Mythread_{0}".format(str(i)))
        t.start()
        t.join()
        print("print in main thread: thread name:", t.getName())
    run result：
    this is thread 0
    print in main thread: thread name: Mythread_0
    this is thread 1
    print in main thread: thread name: Mythread_1

当程序运行到join后，将等待子程序执行完成，然后才向下执行。这样真个程序就变成一个单线程的顺序执行了。多线程就没什么鸟用了。

join()与setDaemon()都是等待子线程结束，有什么区别呢：  
当执行join()后主线程就停了，直到子线程完成后才开始接着主线程执行，整个程序是线性的  
setDaemon() 为前台线程时，所有的线程都在同时运行，主线程也在运行。只不过是主线程运行完以后等待所有子线程结束。这个还是一个并行的执行，执行效率肯定要高于join()方法的。

**4 线程锁**  
线程是内存共享的，当多个线程对内存中的同一个公共变量进行操作时，会导致线程争抢的问题，为了解决此问题，可以使用线程锁。

import time
    import threading
    
    def do_thread(num):
        global public_num
        # 加锁
        lock.acquire()
        public_num -= 1
        # 解锁
        lock.release()
        time.sleep(1)
        print("public_num in thread_%s is %s" % (str(num), str(public_num)))
    
    public_num = 100
    threads_list = []
    lock = threading.Lock()
    for i in range(50):
        t = threading.Thread(target=do_thread, args=(i,))
        t.setName("Mythread_{0}".format(str(i)))
        t.start()
        threads.append(t)
     # 等待所有子线程结束
    for t in threads:
        t.join()
    
    print("last result of public_num is ", public_num)

**5 event()**  
线程的事件, 用于主线程控制子线程的执行。它的本质就是定义了一个全局的flag标识，并通过一些方法来获取、设置此标识。包括：  
wait()方法：当flag标识为False时,wait()方法将阻塞，为True时，wait()不阻塞  
set()方法：设置flag标识为True  
clear()方法： 设置flag标识为False  
初始化时flag标识为False(阻塞状态)  
is\_set()/isSet() : 判断当前flag标识是否为True

import threading
    
    def do(event):
    
        print('start')
        # 默认初始化状态为False，到这里就阻塞了
        event.wait()
        print('execute\n')
    
    if __name__ == "__main__":
        event_obj = threading.Event()
        for i in range(10):
            t = threading.Thread(target=do, args=(event_obj,))
            t.start()
    
        inp = input('input:')
        if inp == 'true':
            # 如果为true，则flag=True,不阻塞，子进程继续运行
            event_obj.set()
        else:
            event_obj.clear()

event一个模拟红绿灯的实例：

def light():
        linght_time = 0
        if not event.is_set():
            event.set()  # Flag = True, 阻塞
        while True:
            time.sleep(1)
            if linght_time < 10:
                print("Green is on....")
            elif linght_time < 13:
                print("Yellow is on ....")
            elif linght_time < 16:
                print("Red is on ......")
                if event.is_set():
                    event.clear()
            else:    # 大于16, 该重新调绿灯了
                linght_time = 0
                event.set()
    
            linght_time += 1
    
    def car_run(carnum):
        while True:
            time.sleep(2)
            if event.is_set():
                print("car %s is run" % carnum)
            else:
                print("CAR %s IS WAITTING........" % carnum)
    
    if __name__ == "__main__":
        event = threading.Event()
        l = threading.Thread(target=light, )
        l.start()
        for i in range(3):
            c = threading.Thread(target=car_run, args=(str(i), ))
            c.start()

**6） Semaphore()**  
Semaphore信号量管理一个内置的计数器：  
每当调用acquire()时内置计数器-1；  
调用release() 时内置计数器+1；  
计数器不能小于0；当计数器为0时，acquire()将阻塞线程直到其他线程调用release()。

import threading
    import time
    
    def do():
        semaphro.acquire()
        print("this is {0} set the semaphore".format(threading.current_thread().getName()))
        time.sleep(2)
        semaphro.release()
        print("\033[1;30mthi is {0} release the semaphore\033[0m".format(threading.current_thread().getName()))
    
    
    if __name__ == "__main__":
        semaphro = threading.Semaphore(2)
        for i in range(10):
            t = threading.Thread(target=do)
            t.setName("Thread_{0}".format(str(i)))
            t.start()
        print("finished")

上例中，虽然创建了10个线程，但同时只有2个线程在运行，就是因为在线程中通过Semaphore设置了2个信号量。只有其中一个释放后另其它的线程再能开始执行

[http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_04_processes_and_threads.html]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html
[GIL]: /images/20220731/243a34ce256f466f9428850b034828b0.png