python多线程学习

2023-05-16

Python3 线程中常用的两个模块为：

_thread（已经废弃）
threading(推荐使用)

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：

import threading
import time

exitFlag = 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 ("开始线程：" + self.name)
        print_time(self.name, self.counter, 5)
        print ("退出线程：" + self.name)

def print_time(threadName, delay, counter):
    while counter:
        if exitFlag:
            threadName.exit()
        time.sleep(delay)
        print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())))
        counter -= 1

# 创建新线程
thread1 = myThread(1, "线程1", 1)
thread2 = myThread(2, "线程2", 2)

# 开启新线程
thread1.start()
thread2.start()
print ("退出主线程")

'''
开始线程：线程1
开始线程：线程2
退出主线程
线程1: Sat Mar  6 11:34:33 2021
线程2: Sat Mar  6 11:34:34 2021线程1: Sat Mar  6 11:34:34 2021

线程1: Sat Mar  6 11:34:35 2021
线程2: Sat Mar  6 11:34:36 2021
线程1: Sat Mar  6 11:34:36 2021
线程1: Sat Mar  6 11:34:37 2021
退出线程：线程1
线程2: Sat Mar  6 11:34:38 2021
线程2: Sat Mar  6 11:34:40 2021
线程2: Sat Mar  6 11:34:42 2021
退出线程：线程2

线程同步(多线程共享全局变量的问题)

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：

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 ("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()

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 = []

# 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
for t in threads:
    t.join()
print ("退出主线程")

参考链接：https://www.runoob.com/python3/python3-multithreading.html

Lock版本生产者和消费者模式：

生产者和消费者模式是多线程开发中经常见到的一种模式。生产者的线程专门用来生产一些数据，然后存放到一个中间的变量中。消费者再从这个中间的变量中取出数据进行消费。但是因为要使用中间变量，中间变量经常是一些全局变量，因此需要使用锁来保证数据完整性。以下是使用threading.Lock锁实现的“生产者与消费者模式”的一个例子：

import threading
import random
import time

gMoney = 1000
gLock = threading.Lock()
# 记录生产者生产的次数，达到10次就不再生产
gTimes = 0

class Producer(threading.Thread):
    def run(self):
        global gMoney
        global gLock
        global gTimes
        while True:
            money = random.randint(100, 1000)
            gLock.acquire()
            # 如果已经达到10次了，就不再生产了
            if gTimes >= 10:
                gLock.release()
                break
            gMoney += money
            print('%s当前存入%s元钱，剩余%s元钱' % (threading.current_thread(), money, gMoney))
            gTimes += 1
            time.sleep(0.5)
            gLock.release()

class Consumer(threading.Thread):
    def run(self):
        global gMoney
        global gLock
        global gTimes
        while True:
            money = random.randint(100, 500)
            gLock.acquire()
            if gMoney > money:
                gMoney -= money
                print('%s当前取出%s元钱，剩余%s元钱' % (threading.current_thread(), money, gMoney))
                time.sleep(0.5)
            else:
                # 如果钱不够了，有可能是已经超过了次数，这时候就判断一下
                if gTimes >= 10:
                    gLock.release()
                    break
                print("%s当前想取%s元钱，剩余%s元钱，不足！" % (threading.current_thread(),money,gMoney))
            gLock.release()

def main():
    for x in range(5):
        Consumer(name='消费者线程%d'%x).start()

    for x in range(5):
        Producer(name='生产者线程%d'%x).start()

if __name__ == '__main__':
    main()

Condition版的生产者与消费者模式：

Lock版本的生产者与消费者模式可以正常的运行。但是存在一个不足，在消费者中，总是通过while True死循环并且上锁的方式去判断钱够不够。上锁是一个很耗费CPU资源的行为。因此这种方式不是最好的。还有一种更好的方式便是使用threading.Condition来实现。threading.Condition可以在没有数据的时候处于阻塞等待状态。一旦有合适的数据了，还可以使用notify相关的函数来通知其他处于等待状态的线程。这样就可以不用做一些无用的上锁和解锁的操作。可以提高程序的性能。首先对threading.Condition相关的函数做个介绍，threading.Condition类似threading.Lock，可以在修改全局数据的时候进行上锁，也可以在修改完毕后进行解锁。以下将一些常用的函数做个简单的介绍：

acquire：上锁。
release：解锁。
wait：将当前线程处于等待状态，并且会释放锁。可以被其他线程使用notify和notify_all函数唤醒。被唤醒后会继续等待上锁，上锁后继续执行下面的代码。
notify：通知某个正在等待的线程，默认是第1个等待的线程。
notify_all：通知所有正在等待的线程。notify和notify_all不会释放锁。并且需要在release之前调用。

Condition版的生产者与消费者模式代码如下：

import threading
import random
import time

gMoney = 1000
gCondition = threading.Condition()
gTimes = 0
gTotalTimes = 5

class Producer(threading.Thread):
    def run(self):
        global gMoney
        global gCondition
        global gTimes
        while True:
            money = random.randint(100, 1000)
            gCondition.acquire()
            if gTimes >= gTotalTimes:
                gCondition.release()
                print('当前生产者总共生产了%s次'%gTimes)
                break
            gMoney += money
            print('%s当前存入%s元钱，剩余%s元钱' % (threading.current_thread(), money, gMoney))
            gTimes += 1
            time.sleep(0.5)
            gCondition.notify_all()
            gCondition.release()

class Consumer(threading.Thread):
    def run(self):
        global gMoney
        global gCondition
        while True:
            money = random.randint(100, 500)
            gCondition.acquire()
            # 这里要给个while循环判断，因为等轮到这个线程的时候
            # 条件有可能又不满足了
            while gMoney < money:
                if gTimes >= gTotalTimes:
                    gCondition.release()
                    return
                print('%s准备取%s元钱，剩余%s元钱，不足！'%(threading.current_thread(),money,gMoney))
                gCondition.wait()
            gMoney -= money
            print('%s当前取出%s元钱，剩余%s元钱' % (threading.current_thread(), money, gMoney))
            time.sleep(0.5)
            gCondition.release()

def main():
    for x in range(5):
        Consumer(name='消费者线程%d'%x).start()

    for x in range(2):
        Producer(name='生产者线程%d'%x).start()

if __name__ == '__main__':
    main()

Queue线程安全队列：

在线程中，访问一些全局变量，加锁是一个经常的过程。如果你是想把一些数据存储到某个队列中，那么Python内置了一个线程安全的模块叫做queue模块。Python中的queue模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO（先进先出）队列Queue，LIFO（后入先出）队列LifoQueue。这些队列都实现了锁原语（可以理解为原子操作，即要么不做，要么都做完），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。相关的函数如下：

初始化Queue(maxsize)：创建一个先进先出的队列。
qsize()：返回队列的大小。
empty()：判断队列是否为空。
full()：判断队列是否满了。
get()：从队列中取最后一个数据。
put()：将一个数据放到队列中。

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