Concurrency In Python 简明教程

Implementation of Threads

在本章中，我们将学习如何在 Python 中实现线程。

Python Module for Thread Implementation

Python 线程有时被称为轻量级进程，因为线程占用的内存远少于进程。线程允许一次执行多个任务。在 Python 中，我们有以下两个模块在程序中实现线程——

  1. *<_thread>*module

  2. *<threading>*module

这两个模块的主要差别在于 <_thread> 模块将线程作为函数处理，而 <threading> 模块将每个线程都作为对象处理，并以面向对象的方式实现它。此外， <_thread>*module is effective in low level threading and has fewer capabilities than the *<threading> 模块。

<_thread> module

在早期版本的 Python 中，我们曾使用过 <thread> 模块，但它很长时间都被视为“已弃用”。我们鼓励用户使用 <threading> 模块。因此，在 Python 3 中不再提供 “thread” 模块。为了与 Python3 中向后不兼容，它已被重命名为 <_thread> 。

要借助 <_thread> 模块生成新线程，我们需要调用它的 start_new_thread 方法。此方法的工作原理可通过以下语法得到理解 −

_thread.start_new_thread ( function, args[, kwargs] )

这里 -

  1. args 是一个元组参数

  2. kwargs 是关键字参数（可选）的字典

如果我们想要在不传递参数的情况下调用函数，那么需要在 args 中使用一个空元组参数。

此方法调用会立即返回，子线程会启动，并使用已传递的参数列表（如果有的话）调用函数。当函数返回时，该线程会终止。

Example

以下是使用 <_thread> 模块生成新线程的示例。此处使用了 start_new_thread() 方法。

import _thread
import time

def print_time( threadName, delay):
   count = 0
   while count < 5:
      time.sleep(delay)
      count += 1
      print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))

try:
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
except:
   print ("Error: unable to start thread")
while 1:
   pass

Output

以下的输出将帮助我们了解如何借助 <_thread> 模块生成新线程。

Thread-1: Mon Apr 23 10:03:33 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:35 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:35 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:37 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:39 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:39 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:41 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:43 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:47 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:51 2018

<threading> module

<threading> 模块以面向对象的方式实现，并将每个线程都作为对象处理。因此，它为线程提供了比 <_thread> 模块更强大、更高级别的支持。此模块包含在 Python 2.4 中。

Additional methods in the <threading> module

<threading> 模块包含 <_thread> 模块的所有方法，但也提供了附加方法。附加方法如下 −

  1. threading.activeCount() − 此方法返回活动线程对象的数目

  2. threading.currentThread() − 此方法返回调用线程控制中的线程对象数目。

  3. threading.enumerate() − 此方法返回当前处于活动状态的所有线程对象的列表。

How to create threads using the <threading> module?

在本节中，我们将学习如何使用 <threading> 模块创建线程。请按照以下步骤使用 <threading> 模块创建新线程 −

  1. Step 1 − 在此步骤中，我们需要定义 Thread 类的子类。

  2. Step 2 − 然后，为了添加附加参数，我们需要覆盖 init(self [,args]) 方法。

  3. Step 3 − 在此步骤中，我们需要覆盖 run(self [,args]) 方法，以实现线程启动后应当执行的操作。

Example

请考虑此示例，以了解如何使用 <threading> 模块生成新线程。

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 ("Starting " + self.name)
      print_time(self.name, self.counter, 5)
      print ("Exiting " + 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

thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()
print ("Exiting Main Thread")
Starting Thread-1
Starting Thread-2

Output

现在，请考虑以下输出：

Thread-1: Mon Apr 23 10:52:09 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:10 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:10 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:11 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:12 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:12 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:13 2018
Exiting Thread-1
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:14 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:16 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:18 2018
Exiting Thread-2
Exiting Main Thread

Python Program for Various Thread States

有五种线程状态 - 新建、可运行、运行、等待和终止。在这五种中，我们主要关注三种状态 - 运行、等待和终止。一个线程在其运行状态获得其资源，在其等待状态等待资源；如果执行且已获取，资源在终止状态的最终释放。

以下 Python 程序借助 start()、sleep() 和 join() 方法将分别显示一个线程如何进入运行、等待和终止状态。

Step 1 - 导入必要的模块，<threading> 和 <time>

import threading
import time

Step 2 - 定义一个将在创建线程时调用的函数。

def thread_states():
   print("Thread entered in running state")

Step 3 - 我们正在使用 time 模块的 sleep() 方法，让我们的线程等待 2 秒左右。

time.sleep(2)

Step 4 - 现在，我们创建了一个名为 T1 的线程，它采用上述定义函数的参数。

T1 = threading.Thread(target=thread_states)

Step 5 - 现在，借助 start() 函数，我们可以启动我们的线程。它将生成消息，该消息已在我们定义函数时设定。

T1.start()
Thread entered in running state

Step 6 - 现在，在最后，我们可以在线程完成其执行后使用 join() 方法终止它。

T1.join()

Starting a thread in Python

在 Python 中，我们可以通过不同的方式启动一个新线程，但其中最简单的一种方法是将其定义为一个单独的函数。在定义函数后，我们可以将其作为新 threading.Thread 对象的目标来传递，以此类推。执行以下 Python 代码，以了解该函数的工作原理：

import threading
import time
import random
def Thread_execution(i):
   print("Execution of Thread {} started\n".format(i))
   sleepTime = random.randint(1,4)
   time.sleep(sleepTime)
   print("Execution of Thread {} finished".format(i))
for i in range(4):
   thread = threading.Thread(target=Thread_execution, args=(i,))
   thread.start()
   print("Active Threads:" , threading.enumerate())

Output

Execution of Thread 0 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>]

Execution of Thread 1 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>,
      <Thread(Thread-3577, started 3080)>]

Execution of Thread 2 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>,
      <Thread(Thread-3577, started 3080)>,
      <Thread(Thread-3578, started 2268)>]

Execution of Thread 3 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>,
      <Thread(Thread-3577, started 3080)>,
      <Thread(Thread-3578, started 2268)>,
      <Thread(Thread-3579, started 4520)>]
Execution of Thread 0 finished
Execution of Thread 1 finished
Execution of Thread 2 finished
Execution of Thread 3 finished

Daemon threads in Python

在 Python 中实现守护线程之前，我们需要了解守护线程及其用法。在计算术语中，守护程序是一个后台进程，它处理各种服务（如数据发送、文件传输等）的请求。如果它不再需要，它将保持不活动。也可以借助非守护线程来完成相同任务。然而，在这种情况下，主线程必须手动跟踪非守护线程。另一方面，如果我们使用守护线程，那么主线程可以完全忘记这一点，当主线程退出时它将被终止。关于守护线程的另一个重点是，我们只能选择对非重要任务使用它们，这些任务在未完成或中途被终止时不会影响我们。以下是在 Python 中实现守护线程：

import threading
import time

def nondaemonThread():
   print("starting my thread")
   time.sleep(8)
   print("ending my thread")
def daemonThread():
   while True:
   print("Hello")
   time.sleep(2)
if __name__ == '__main__':
   nondaemonThread = threading.Thread(target = nondaemonThread)
   daemonThread = threading.Thread(target = daemonThread)
   daemonThread.setDaemon(True)
   daemonThread.start()
   nondaemonThread.start()

在上述代码中，有两个函数，分别是 >nondaemonThread() 和 >daemonThread() 。第一个函数打印其状态并睡 8 秒，而 deamonThread() 函数则无限期地每 2 秒打印一次 Hello。借助以下输出，我们可以了解非守护线程和守护线程之间的区别：

Hello

starting my thread
Hello
Hello
Hello
Hello
ending my thread
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello