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十分鐘帶你瞭解 Python3 多執行緒核心知識

每個獨立的執行緒有一個程式運行的入口、順序執行序列和程式的出口。但是執行緒不能夠獨立執行,必須依存在應用程式中,由應用程式提供多個執行緒執行控制。

每個執行緒都有他自己的一組CPU暫存器,稱為執行緒的背景關係,該背景關係反映了執行緒上次運行該執行緒的CPU暫存器的狀態。

指令指標和堆棧指標暫存器是執行緒背景關係中兩個最重要的暫存器,執行緒總是在行程得到背景關係中運行的,這些地址都用於標誌擁有執行緒的行程地址空間中的記憶體。

  • 執行緒可以被搶占(中斷)。

  • 在其他執行緒正在運行時,執行緒可以暫時擱置(也稱為睡眠) — 這就是執行緒的退讓。

執行緒可以分為:

  • 內核執行緒:由操作系統內核創建和撤銷。

  • 用戶執行緒:不需要內核支持而在用戶程式中實現的執行緒。

Python3 執行緒中常用的兩個模塊為:

  • _thread

  • threading(推薦使用)

函式式

呼叫 _thread 模塊中的start_new_thread()函式來產生新執行緒。語法如下:

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

引數說明:

  • function – 執行緒函式。

  • args – 傳遞給執行緒函式的引數,他必須是個tuple型別。

  • kwargs – 可選引數。

import _thread, time
# 定義執行緒函式
def print_time(threadName, delay):
   count = 0
   while count < 5:
       time.sleep(delay)
       count += 1
       # 傳回當前時間的時間戳(1970紀元後經過的浮點秒數), 並格式化輸出
       print("{}: {}".format(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")

while 1:
   # 讓執行緒有足夠的時間完成
   pass

E:\PyPro>python thread.py
Thread-1: Thu Apr 12 09:01:56 2018
Thread-2: Thu Apr 12 09:01:58 2018
Thread-1: Thu Apr 12 09:01:58 2018
Thread-1: Thu Apr 12 09:02:00 2018
Thread-2: Thu Apr 12 09:02:02 2018
Thread-1: Thu Apr 12 09:02:02 2018
Thread-1: Thu Apr 12 09:02:05 2018
Thread-2: Thu Apr 12 09:02:06 2018
Thread-2: Thu Apr 12 09:02:10 2018
Thread-2: Thu Apr 12 09:02:14 2018

類封裝式

threading 模塊除了包含 _thread 模塊中的所有方法外,還提供的其他方法:

  • threading.currentThread(): 傳回當前的執行緒變數。

  • threading.enumerate(): 傳回一個包含正在運行的執行緒的list。正在運行指執行緒啟動後、結束前,不包括啟動前和終止後的執行緒。

  • threading.activeCount(): 傳回正在運行的執行緒數量,與len(threading.enumerate())有相同的結果。

執行緒模塊同樣提供了Thread類來處理執行緒,Thread類提供了以下方法:

  • run(): 用以表示執行緒活動的方法。

  • start():啟動執行緒活動。

  • join([time]): 等待至執行緒中止。這阻塞呼叫執行緒直至執行緒的join() 方法被呼叫中止-正常退出或者丟擲未處理的異常-或者是可選的超時發生。

  • isAlive(): 傳回執行緒是否活動的。

  • getName(): 傳回執行緒名。

  • setName(): 設置執行緒名。

import threading, time
# 創建行程類
class myThread(threading.Thread):
   # 建構式
   def __init__(self, threadID, name, counter):
       threading.Thread.__init__(self)
       self.threadID = threadID
       self.name = name
       self.counter = counter
   # 重寫run()
   def run(self):
       print("Thread Strat:" + self.name)
       print_time(self.name, self.counter, 5)
       print("Thread Exit:" + self.name)
       
def print_time(threadName, delay, counter):
   while counter:
       time.sleep(delay)
       print("{}: {}".format(threadName, time.ctime(time.time()) ))
       counter -= 1    

# 創建執行緒
thread1 = myThread(1001, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(1002, "Thread-2", 2)

# 開啟執行緒
print("Thread-1 is Alive? ", thread1.isAlive())
thread1.start()
thread2.start()
print("Thread-1 is Alive? ", thread1.isAlive())
thread1.join()
thread2.join()
print("Thread-1 is Alive? ", thread1.isAlive())
print("exit")

E:\PyPro>python threadClass.py
Thread-1 is Alive?  False
Thread StratThread-1
Thread StratThread-2
Thread-1 is Alive?  True
Thread-1: Thu Apr 12 10:15:53 2018
Thread-1: Thu Apr 12 10:15:54 2018
Thread-2: Thu Apr 12 10:15:54 2018
Thread-1: Thu Apr 12 10:15:55 2018
Thread-1: Thu Apr 12 10:15:56 2018
Thread-2: Thu Apr 12 10:15:56 2018
Thread-1: Thu Apr 12 10:15:57 2018
Thread ExitThread-1
Thread-2: Thu Apr 12 10:15:58 2018
Thread-2: Thu Apr 12 10:16:00 2018
Thread-2: Thu Apr 12 10:16:02 2018
Thread ExitThread-2
Thread-1 is Alive?  False
exit

不難發現,執行緒是通過start()函式激活,而不是物件建立時激活的!

執行緒同步

多執行緒的優勢在於可以同時運行多個任務(至少感覺起來是這樣)。但是當執行緒需要共享資料時,可能存在資料不同步的問題。

使用 Thread 物件的 Lock 和 Rlock 可以實現簡單的執行緒同步,這兩個物件都有 acquire 方法和 release 方法,對於那些需要每次只允許一個執行緒操作的資料,可以將其操作放到 acquire 和 release 方法之間。

import threading, time

# 創建鎖
threadLock = threading.Lock()
# 創建執行緒串列
threads = []

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("Thread Start: " + self.name)
       # 獲取鎖,同步執行緒
       threadLock.acquire()
       print_time(self.name, self.counter, 3)
       # 釋放鎖,開啟下一個執行緒
       threadLock.release()
       print("Thread Exit: " + self.name)
       
def print_time(threadName, delay, counter):
   while counter:
       time.sleep(delay)
       print("{}: {}".format(threadName, time.ctime()))
       counter -= 1

       
# 創建執行緒
thread1 = myThread(1001, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(1002, "Thread-2", 2)

# 開啟執行緒
thread1.start()
thread2.start()

# 添加執行緒串列
threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

# 等待所有執行緒完成
for t in threads:
   t.join()
print("exit")

E:\PyPro>python synchronize.py
Thread Start: Thread-1
Thread Start: Thread-2
Thread-1: Thu Apr 12 11:00:49 2018
Thread-1: Thu Apr 12 11:00:50 2018
Thread-1: Thu Apr 12 11:00:51 2018
Thread Exit: Thread-1
Thread-2: Thu Apr 12 11:00:53 2018
Thread-2: Thu Apr 12 11:00:55 2018
Thread-2: Thu Apr 12 11:00:57 2018
Thread Exit: Thread-2
exit

執行緒優先級佇列

Python 的 Queue 模塊中提供了同步的、執行緒安全的佇列類,包括FIFO佇列Queue,LIFO佇列LifoQueue,和優先級佇列 PriorityQueue。

這些佇列都實現了鎖原語,能夠在多執行緒中直接使用,可以使用佇列來實現執行緒間的同步。

Queue 模塊中的常用方法:

  • Queue.qsize() 傳回佇列的大小

  • Queue.empty() 如果佇列為空,傳回True,反之False

  • Queue.full() 如果佇列滿了,傳回True,反之False

  • Queue.full 與 maxsize 大小對應

  • Queue.get([block[, timeout]])獲取佇列,timeout等待時間

  • Queue.get_nowait() 相當Queue.get(False)

  • Queue.put(item) 寫入佇列,timeout等待時間

  • Queue.put_nowait(item) 相當Queue.put(item, False)

  • Queue.task_done() 在完成一項工作之後,Queue.task_done()函式向任務已經完成的佇列發送一個信號

  • Queue.join() 實際上意味著等到佇列為空,再執行別的操作

import queue, threading, time

exitFlag = 0
# 創建鎖
queueLock = threading.Lock()
# 創建佇列
workQueue = queue.Queue(10)



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("Thread Start: " + self.name)
       process_data(self.name, self.q)
       print("Thread Exit: " + self.name)
       
def process_data(threadName, q):
   while not exitFlag:
       queueLock.acquire()
       if not workQueue.empty():
           data = q.get()
           queueLock.release()
           print("{} processing {}".format(threadName, data))
       else:
           queueLock.release()
       time.sleep(1)

threadList = ["Thread-1", "Thread-2", "Thread-3"]
nameList = ["One", "Two", "Three", "Four", "Five"]
threads = []
threadID = 1


# 創建新執行緒
for tName in threadList:
   thread = myThread(threadID, tName, workQueue)
   thread.start()
   threads.append(thread)
   threadID += 1

# 填充佇列
queueLock.acquire()
print("佇列填充中>>>>>>>>>>>>>>")
time.sleep(1)
for word in nameList:
   workQueue.put(word)
print("佇列填充完畢>>>>>>>>>>>>>>")
queueLock.release()

# 等待佇列清空
while not workQueue.empty():
   pass

# 通知執行緒退出
exitFlag = 1

# 等待所有執行緒完成
for t in threads:
   t.join()
print("exit")

E:\PyPro>python queueue.py
Thread Start: Thread-1
Thread Start: Thread-2
Thread Start: Thread-3
佇列填充中>>>>>>>>>>>>>>
佇列填充完畢>>>>>>>>>>>>>>
Thread-3 processing One
Thread-1 processing Two
Thread-2 processing Three
Thread-3 processing Four
Thread-1 processing Five
Thread Exit: Thread-2
Thread Exit: Thread-1
Thread Exit: Thread-3
exit


原始碼中其實實現了三個行程讀取同一個佇列,按照先進先出原則實現鎖定。

用start方法來啟動執行緒,真正實現了多執行緒運行,這時無需等待run方法體代碼執行完畢而直接繼續執行下麵的代碼。通過呼叫Thread類的start()方法來啟動一個執行緒,這時此執行緒處於就緒(可運行)狀態,並沒有運行,一旦得到cpu時間片,就開始執行run()方法,這裡方法 run()稱為執行緒體,它包含了要執行的這個執行緒的內容,Run方法運行結束,此執行緒隨即終止。

join的作用是保證當前執行緒執行完成後,再執行其它執行緒。join可以有timeout引數,表示阻塞其它執行緒timeout秒後,不再阻塞。。一般執行緒的start()之後,所有操作結束後都要進行thread.join()。確保陳述句的輸出是join()後面的程式是等執行緒結束後再執行的。

作者:Eappo_Geng

來源:https://my.oschina.net/gain/blog/1794659

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