Python 简明教程

Python - Multithreading

在 Python 中，多线程允许你在单个进程内同时运行多个线程，这也被称为基于线程的并行性。这意味着一个程序可以同时执行多个任务，从而提高其效率和响应能力。

Python 中的多线程对于多个 I/O 绑定操作特别有用，而不是对于需要大量计算的任务。

通常，一个计算机程序从头到尾顺序执行指令。而多线程将主任务分解为多个子任务，并以重叠的方式执行它们。

Comparison with Processes

操作系统能够同时处理多个进程。它为每个进程分配一个单独的内存空间，以便一个进程无法访问或写入另一个进程的空间。

另一方面，一个线程可以被视为一个程序中共享分配给它的内存空间的轻量级子进程，从而促进更轻松的通信和数据共享。由于它们轻巧且不需要太多内存开销；因此它们比进程便宜。

一个进程总是从一个线程（主线程）开始。根据需要，可以启动一个新线程并委派子任务给它。现在这两个线程正在以重叠的方式工作。当分配给辅助线程的任务完成后，它会与主线程合并。

一个线程有开始、执行序列和结尾。它有一个指令指针，用来跟踪它当前在其上下文中运行的位置。

可以抢占（中断）它
当其他线程正在运行时，它可以暂时挂起（也称为休眠）——这称为让步。

Thread Handling Modules in Python

Python 的标准库提供两个用于管理线程的主要模块： _thread 和 threading 。

The _thread Module

_thread 模块（也被称为低级线程模块）从 Python 2 版本开始就成为 Python 标准库的一部分。它为线程管理提供基本 API，支持在共享的全局数据空间中并发执行线程。该模块包括用于同步的简单锁（互斥）。

The threading Module

在 Python 2.4 中引入的 threading 模块建立在 _thread 的基础上，提供更高级且更全面的线程 API。它提供用于管理线程的强大工具，更便于在 Python 应用程序中使用线程。

Key Features of the threading Module

threading 模块显示了 thread 模块的所有方法，并提供一些附加方法——

threading.activeCount() — 返回活动线程对象的数量。
threading.currentThread() — 返回调用线程线程控件中的线程对象的数量。
threading.enumerate() — 返回当前所有活动线程对象的一个列表。

除了方法之外，threading 模块还有实现线程的 Thread 类。Thread 类提供的方法如下——

run() — run() 方法是线程的入口点。
start() — start() 方法通过调用 run 方法启动线程。
join([time]) — join() 等待线程终止。
isAlive() — isAlive() 方法检查线程是否仍在执行。
getName() — getName() 方法返回线程的名称。
setName() — setName() 方法设置了线程的名称。

Starting a New Thread

要在 Python 中创建和启动新线程，可以使用低级的 _thread 模块或高级的 threading 模块。由于 threading 模块具有更多功能且易于使用，因此通常建议使用它。在下面，你可以看到两种方法。

Starting a New Thread Using the _thread Module

_thread 模块的 start_new_thread() 方法提供了创建和启动新线程的基本方式。该方法提供了在 Linux 和 Windows 中创建新线程的快速且高效的方式。以下是该方法的语法——

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

此方法调用立即返回，新线程开始使用给定参数执行指定函数。当函数返回时，线程终止。

Example

此示例演示如何使用 _thread 模块创建和运行线程。每个线程使用不同的参数运行 print_name 函数。time.sleep(0.5) 调用确保主程序在退出前等待线程完成其执行。

import _thread
import time

def print_name(name, *arg):
   print(name, *arg)

name="Tutorialspoint..."
_thread.start_new_thread(print_name, (name, 1))
_thread.start_new_thread(print_name, (name, 1, 2))

time.sleep(0.5)

执行上述代码后，将生成以下结果 −

Tutorialspoint... 1
Tutorialspoint... 1 2

虽然它对于低级别线程化非常有效，但与 threading 模块相比，_thread 模块的功能有限，后者提供了更多功能和更高级别的线程管理。

Starting a New Thread Using the Threading Module

threading 模块提供 Thread 类，用于创建和管理线程。

以下步骤使用线程模块启动新线程：

创建线程要执行的函数。
然后使用 Thread 类创建 Thread 对象，传递目标函数及其参数。
在 Thread 对象上调用 start 方法以开始执行。
可选地，在继续之前调用 join 方法以等待线程完成。

Example

下面的示例演示如何使用 threading 模块创建并启动线程。它运行一个 print_name 函数，该函数打印名称以及一些参数。此示例创建两个线程，使用 start() 方法启动它们，并使用 join 方法等待它们完成。

import threading
import time

def print_name(name, *args):
    print(name, *args)

name = "Tutorialspoint..."

# Create and start threads
thread1 = threading.Thread(target=print_name, args=(name, 1))
thread2 = threading.Thread(target=print_name, args=(name, 1, 2))

thread1.start()
thread2.start()

# Wait for threads to complete
thread1.join()
thread2.join()

print("Threads are finished...exiting")

执行上述代码后，将生成以下结果 −

Tutorialspoint... 1
Tutorialspoint... 1 2
Threads are finished...exiting

Synchronizing Threads

Python 提供的线程模块包括一个易于实现的锁机制，允许同步线程。通过调用 Lock() 方法创建一个新锁，该方法返回新锁。

新锁对象的 acquire(blocking) 方法用于强制线程同步运行。可选的阻塞参数使您可以控制线程是否等待获取锁。

如果将阻塞设置 0，则如果无法获取锁，则线程立即返回 0 值，如果获取锁，则返回 1。如果阻塞设置 1，则线程将阻塞并等待释放锁。

新锁对象的 release() 方法用于不再需要时释放锁。

Example

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 ("Starting " + self.name)
      # Get lock to synchronize threads
      threadLock.acquire()
      print_time(self.name, self.counter, 3)
      # Free lock to release next thread
      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 = []

# Create new threads
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# Start new Threads
thread1.start()
thread2.start()

# Add threads to thread list
threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

# Wait for all threads to complete
for t in threads:
    t.join()
print ("Exiting Main Thread")

执行上述代码后，将生成以下结果 −

Starting Thread-1
Starting Thread-2
Thread-1: Thu Mar 21 09:11:28 2013
Thread-1: Thu Mar 21 09:11:29 2013
Thread-1: Thu Mar 21 09:11:30 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:11:32 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:11:34 2013
Thread-2: Thu Mar 21 09:11:36 2013
Exiting Main Thread

Multithreaded Priority Queue

队列模块允许您创建一个可以容纳一定数量项的新队列对象。有以下方法来控制队列：

get() − get() 从队列中删除并返回一个项。
put() − put 向队列中添加项。
qsize() − qsize() 返回队列中当前的项数。
empty() − empty( ) 如果队列为空，则返回 True；否则返回 False。
full() −full() 如果队列已满则返回 True；否则，返回 False。

Example

import queue
import threading
import time

exitFlag = 0

class myThread (threading.Thread):
   def __init__(self, threadID, name, q):
      threading.Thread.__init__(self)
      self.threadID = threadID
      self.name = name
      self.q = q
   def run(self):
      print ("Starting " + self.name)
      process_data(self.name, self.q)
      print ("Exiting " + self.name)

def process_data(threadName, q):
   while not exitFlag:
      queueLock.acquire()
      if not workQueue.empty():
         data = q.get()
         queueLock.release()
         print ("%s processing %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

# Create new threads
for tName in threadList:
   thread = myThread(threadID, tName, workQueue)
   thread.start()
   threads.append(thread)
   threadID += 1

# Fill the queue
queueLock.acquire()
for word in nameList:
   workQueue.put(word)
queueLock.release()

# Wait for queue to empty
while not workQueue.empty():
   pass

# Notify threads it's time to exit
exitFlag = 1

# Wait for all threads to complete
for t in threads:
   t.join()
print ("Exiting Main Thread")

执行上述代码后，将生成以下结果 −

Starting Thread-1
Starting Thread-2
Starting Thread-3
Thread-1 processing One
Thread-2 processing Two
Thread-3 processing Three
Thread-1 processing Four
Thread-2 processing Five
Exiting Thread-3
Exiting Thread-1
Exiting Thread-2
Exiting Main Thread