- 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,这样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"。
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:
1 import _thread 2 import time 3 4 # 为线程定义一个函数 5 def print_time( threadName, delay): 6 count = 0 7 while count < 5: 8 time.sleep(delay) 9 count += 1 10 print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) )) 11 12 # 创建两个线程 13 try: 14 _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) ) 15 _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) ) 16 except: 17 print ("Error: 无法启动线程") 18 19 while 1: 20 pass
执行以上程序输出结果如下:
1 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:31 2018 2 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:33 2018 3 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:33 2018 4 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:35 2018 5 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:37 2018 6 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:37 2018 7 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:39 2018 8 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:41 2018 9 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:45 2018 10 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:49 2018
执行以上程后可以按下 ctrl-c to 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:
1 import threading 2 import time 3 4 exitFlag = 0 5 6 class myThread (threading.Thread): 7 def __init__(self, threadID, name, counter): 8 threading.Thread.__init__(self) 9 self.threadID = threadID 10 self.name = name 11 self.counter = counter 12 def run(self): 13 print ("开始线程:" + self.name) 14 print_time(self.name, self.counter, 5) 15 print ("退出线程:" + self.name) 16 17 def print_time(threadName, delay, counter): 18 while counter: 19 if exitFlag: 20 threadName.exit() 21 time.sleep(delay) 22 print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time()))) 23 counter -= 1 24 25 # 创建新线程 26 thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1) 27 thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2) 28 29 # 开启新线程 30 thread1.start() 31 thread2.start() 32 thread1.join() 33 thread2.join() 34 print ("退出主线程")
执行结果:
1 开始线程:Thread-1 2 开始线程:Thread-2 3 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:35 2018 4 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:36 2018 5 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:36 2018 6 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:37 2018 7 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:38 2018 8 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:38 2018 9 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:39 2018 10 退出线程:Thread-1 11 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:40 2018 12 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:42 2018 13 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:44 2018 14 退出线程:Thread-2 15 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:
1 import threading 2 import time 3 4 class myThread (threading.Thread): 5 def __init__(self, threadID, name, counter): 6 threading.Thread.__init__(self) 7 self.threadID = threadID 8 self.name = name 9 self.counter = counter 10 def run(self): 11 print ("开启线程: " + self.name) 12 # 获取锁,用于线程同步 13 threadLock.acquire() 14 print_time(self.name, self.counter, 3) 15 # 释放锁,开启下一个线程 16 threadLock.release() 17 18 def print_time(threadName, delay, counter): 19 while counter: 20 time.sleep(delay) 21 print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time()))) 22 counter -= 1 23 24 threadLock = threading.Lock() 25 threads = [] 26 27 # 创建新线程 28 thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1) 29 thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2) 30 31 # 开启新线程 32 thread1.start() 33 thread2.start() 34 35 # 添加线程到线程列表 36 threads.append(thread1) 37 threads.append(thread2) 38 39 # 等待所有线程完成 40 for t in threads: 41 t.join() 42 print ("退出主线程")
执行以上程序,输出结果为:
1 开启线程: Thread-1 2 开启线程: Thread-2 3 Thread-1: Tue Jun 19 21:32:30 2018 4 Thread-1: Tue Jun 19 21:32:31 2018 5 Thread-1: Tue Jun 19 21:32:32 2018 6 Thread-2: Tue Jun 19 21:32:34 2018 7 Thread-2: Tue Jun 19 21:32:36 2018 8 Thread-2: Tue Jun 19 21:32:38 2018 9 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:
1 import queue 2 import threading 3 import time 4 5 exitFlag = 0 6 7 class myThread (threading.Thread): 8 def __init__(self, threadID, name, q): 9 threading.Thread.__init__(self) 10 self.threadID = threadID 11 self.name = name 12 self.q = q 13 def run(self): 14 print ("开启线程:" + self.name) 15 process_data(self.name, self.q) 16 print ("退出线程:" + self.name) 17 18 def process_data(threadName, q): 19 while not exitFlag: 20 queueLock.acquire() 21 if not workQueue.empty(): 22 data = q.get() 23 queueLock.release() 24 print ("%s processing %s" % (threadName, data)) 25 else: 26 queueLock.release() 27 time.sleep(1) 28 29 threadList = ["Thread-1", "Thread-2", "Thread-3"] 30 nameList = ["One", "Two", "Three", "Four", "Five"] 31 queueLock = threading.Lock() 32 workQueue = queue.Queue(10) 33 threads = [] 34 threadID = 1 35 36 # 创建新线程 37 for tName in threadList: 38 thread = myThread(threadID, tName, workQueue) 39 thread.start() 40 threads.append(thread) 41 threadID += 1 42 43 # 填充队列 44 queueLock.acquire() 45 for word in nameList: 46 workQueue.put(word) 47 queueLock.release() 48 49 # 等待队列清空 50 while not workQueue.empty(): 51 pass 52 53 # 通知线程是时候退出 54 exitFlag = 1 55 56 # 等待所有线程完成 57 for t in threads: 58 t.join() 59 print ("退出主线程")
以上程序执行结果:
1 开启线程:Thread-1 2 开启线程:Thread-2 3 开启线程:Thread-3 4 Thread-2 processing One 5 Thread-3 processing Two 6 Thread-1 processing Three 7 Thread-2 processing Four 8 Thread-3 processing Five 9 退出线程:Thread-2 10 退出线程:Thread-3 11 退出线程:Thread-1 12 退出主线程