Python----线程
一、线程概念的引入背景
1.1 进程
之前我们已经了解了操作系统中进程的概念，程序并不能单独运行，只有将程序装载到内存中，系统为它分配资源才能运行，而这种执行的程序就称之为进程。程序和进程的区别就在于：程序是指令的集合，它是进程运行的静态描述文本；进程是程序的一次执行活动，属于动态概念。在多道编程中，我们允许多个程序同时加载到内存中，在操作系统的调度下，可以实现并发地执行。这是这样的设计，大大提高了CPU的利用率。进程的出现让每个用户感觉到自己独享CPU，因此，进程就是为了在CPU上实现多道编程而提出的。
1.2 有了进程为什么要有线程
进程有很多优点，它提供了多道编程，让我们感觉我们每个人都拥有自己的CPU和其他资源，可以提高计算机的利用率。很多人就不理解了，既然进程这么优秀，为什么还要线程呢？其实，仔细观察就会发现进程还是有很多缺陷的，主要体现在两点上：
-
进程只能在一个时间干一件事，如果想同时干两件事或多件事，进程就无能为力了。
-
进程在执行的过程中如果阻塞，例如等待输入，整个进程就会挂起，即使进程中有些工作不依赖于输入的数据，也将无法执行。
如果这两个缺点理解比较困难的话，举个现实的例子也许你就清楚了：如果把我们上课的过程看成一个进程的话，那么我们要做的是耳朵听老师讲课，手上还要记笔记，脑子还要思考问题，这样才能高效的完成听课的任务。而如果只提供进程这个机制的话，上面这三件事将不能同时执行，同一时间只能做一件事，听的时候就不能记笔记，也不能用脑子思考，这是其一；如果老师在黑板上写演算过程，我们开始记笔记，而老师突然有一步推不下去了，阻塞住了，他在那边思考着，而我们呢，也不能干其他事，即使你想趁此时思考一下刚才没听懂的一个问题都不行，这是其二。
现在你应该明白了进程的缺陷了，而解决的办法很简单，我们完全可以让听、写、思三个独立的过程，并行起来，这样很明显可以提高听课的效率。而实际的操作系统中，也同样引入了这种类似的机制——线程。
1.3 线程的出现
二、进程和线程的关系
三、线程的特点
TCB包括以下信息： （1）线程状态。 （2）当线程不运行时，被保存的现场资源。 （3）一组执行堆栈。 （4）存放每个线程的局部变量主存区。 （5）访问同一个进程中的主存和其它资源。 用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。
四、使用线程的实际场景
开启一个字处理软件进程，该进程肯定需要办不止一件事情，比如监听键盘输入，处理文字，定时自动将文字保存到硬盘，这三个任务操作的都是同一块数据，因而不能用多进程。只能在一个进程里并发地开启三个线程,如果是单线程，那就只能是，键盘输入时，不能处理文字和自动保存，自动保存时又不能输入和处理文字。
五、内存中的线程
多个线程共享同一个进程的地址空间中的资源，是对一台计算机上多个进程的模拟，有时也称线程为轻量级的进程。
而对一台计算机上多个进程，则共享物理内存、磁盘、打印机等其他物理资源。多线程的运行也多进程的运行类似，是cpu在多个线程之间的快速切换。
不同的进程之间是充满敌意的，彼此是抢占、竞争cpu的关系，如果迅雷会和QQ抢资源。而同一个进程是由一个程序员的程序创建，所以同一进程内的线程是合作关系，一个线程可以访问另外一个线程的内存地址，大家都是共享的，一个线程干死了另外一个线程的内存，那纯属程序员脑子有问题。
类似于进程，每个线程也有自己的堆栈，不同于进程，线程库无法利用时钟中断强制线程让出CPU，可以调用thread_yield运行线程自动放弃cpu，让另外一个线程运行。
线程通常是有益的，但是带来了不小程序设计难度，线程的问题是：
1. 父进程有多个线程，那么开启的子线程是否需要同样多的线程
2. 在同一个进程中，如果一个线程关闭了文件，而另外一个线程正准备往该文件内写内容呢？
因此，在多线程的代码中，需要更多的心思来设计程序的逻辑、保护程序的数据。
六、用户级线程和内核级线程（了解）
线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-Level Thread)和内核线线程(Kernel-Level Thread)，后者又称为内核支持的线程或轻量级进程。在多线程操作系统中，各个系统的实现方式并不相同，在有的系统中实现了用户级线程，有的系统中实现了内核级线程。
用户级线程
内核的切换由用户态程序自己控制内核切换,不需要内核干涉，少了进出内核态的消耗，但不能很好的利用多核Cpu。
在用户空间模拟操作系统对进程的调度，来调用一个进程中的线程，每个进程中都会有一个运行时系统，用来调度线程。此时当该进程获取cpu时，进程内再调度出一个线程去执行，同一时刻只有一个线程执行。
内核级线程
内核级线程:切换由内核控制，当线程进行切换的时候，由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态；可以很好的利用smp，即利用多核cpu。windows线程就是这样的。
用户级与内核级线程的对比
1 内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。 2 用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持，是在语言（如Java）这一级处理的；而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持，而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。 3 用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。 4 在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。 5 用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序，而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。
2、内核线程的优缺点
优点：当有多个处理机时，一个进程的多个线程可以同时执行。
缺点：由内核进行调度。
3、用户级线程的优缺点
优点：
线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。
可以在不支持线程的操作系统中实现。
创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。
允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。
线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
同一进程中只能同时有一个线程在运行，如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起。另外，页面失效也会产生同样的问题。
缺点：
资源调度按照进程进行，多个处理机下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用
混合实现
用户级与内核级的多路复用，内核同一调度内核线程，每个内核线程对应n个用户线程
linux操作系统的 NPTL
历史 在内核2.6以前的调度实体都是进程，内核并没有真正支持线程。它是能过一个系统调用clone()来实现的，这个调用创建了一份调用进程的拷贝，跟fork()不同的是,这份进程拷贝完全共享了调用进程的地址空间。LinuxThread就是通过这个系统调用来提供线程在内核级的支持的(许多以前的线程实现都完全是在用户态，内核根本不知道线程的存在)。非常不幸的是，这种方法有相当多的地方没有遵循POSIX标准，特别是在信号处理，调度，进程间通信原语等方面。 很显然，为了改进LinuxThread必须得到内核的支持，并且需要重写线程库。为了实现这个需求，开始有两个相互竞争的项目：IBM启动的NGTP(Next Generation POSIX Threads)项目，以及Redhat公司的NPTL。在2003年的年中，IBM放弃了NGTP，也就是大约那时，Redhat发布了最初的NPTL。 NPTL最开始在redhat linux 9里发布，现在从RHEL3起内核2.6起都支持NPTL，并且完全成了GNU C库的一部分。 设计 NPTL使用了跟LinuxThread相同的办法，在内核里面线程仍然被当作是一个进程，并且仍然使用了clone()系统调用(在NPTL库里调用)。但是，NPTL需要内核级的特殊支持来实现，比如需要挂起然后再唤醒线程的线程同步原语futex. NPTL也是一个1*1的线程库，就是说，当你使用pthread_create()调用创建一个线程后，在内核里就相应创建了一个调度实体，在linux里就是一个新进程，这个方法最大可能的简化了线程的实现。 除NPTL的1*1模型外还有一个m*n模型，通常这种模型的用户线程数会比内核的调度实体多。在这种实现里，线程库本身必须去处理可能存在的调度，这样在线程库内部的上下文切换通常都会相当的快，因为它避免了系统调用转到内核态。然而这种模型增加了线程实现的复杂性,并可能出现诸如优先级反转的问题，此外，用户态的调度如何跟内核态的调度进行协调也是很难让人满意。
七、python和线程
7.1 全局解释器锁GIL
Python代码的执行由Python虚拟机(也叫解释器主循环)来控制。Python在设计之初就考虑到要在主循环中，同时只有一个线程在执行。虽然 Python 解释器中可以“运行”多个线程，但在任意时刻只有一个线程在解释器中运行。
对Python虚拟机的访问由全局解释器锁(GIL)来控制，正是这个锁能保证同一时刻只有一个线程在运行。
在多线程环境中，Python 虚拟机按以下方式执行：
a、设置 GIL；
b、切换到一个线程去运行；
c、运行指定数量的字节码指令或者线程主动让出控制(可以调用 time.sleep(0))；
d、把线程设置为睡眠状态；
e、解锁 GIL；
d、再次重复以上所有步骤。
在调用外部代码(如 C/C++扩展函数)的时候，GIL将会被锁定，直到这个函数结束为止(由于在这期间没有Python的字节码被运行，所以不会做线程切换)编写扩展的程序员可以主动解锁GIL。
7.2 python线程模块的选择
Python提供了几个用于多线程编程的模块，包括thread、threading和Queue等。thread和threading模块允许程序员创建和管理线程。thread模块提供了基本的线程和锁的支持，threading提供了更高级别、功能更强的线程管理的功能。Queue模块允许用户创建一个可以用于多个线程之间共享数据的队列数据结构。
避免使用thread模块，因为更高级别的threading模块更为先进，对线程的支持更为完善，而且使用thread模块里的属性有可能会与threading出现冲突；其次低级别的thread模块的同步原语很少(实际上只有一个)，而threading模块则有很多；再者，thread模块中当主线程结束时，所有的线程都会被强制结束掉，没有警告也不会有正常的清除工作，至少threading模块能确保重要的子线程退出后进程才退出。
thread模块不支持守护线程，当主线程退出时，所有的子线程不论它们是否还在工作，都会被强行退出。而threading模块支持守护线程，守护线程一般是一个等待客户请求的服务器，如果没有客户提出请求它就在那等着，如果设定一个线程为守护线程，就表示这个线程是不重要的，在进程退出的时候，不用等待这个线程退出。
八、 threading模块
8.1 线程的创建Threading.Thread类
线程的创建
from threading import Thread import time def sayhi(name): time.sleep(2) print('%s say hello' %name) if __name__ == '__main__': t=Thread(target=sayhi,args=('egon',)) t.start() print('主线程') 创建线程的方式1
方式2
from threading import Thread import time class Sayhi(Thread): def __init__(self,name): super().__init__() self.name=name def run(self): time.sleep(2) print('%s say hello' % self.name) if __name__ == '__main__': t = Sayhi('egon') t.start() print('主线程') 创建线程的方式2
多线程与多进程
from threading import Thread from multiprocessing import Process import os def work(): print('hello',os.getpid()) if __name__ == '__main__': #part1:在主进程下开启多个线程,每个线程都跟主进程的pid一样 t1=Thread(target=work) t2=Thread(target=work) t1.start() t2.start() print('主线程/主进程pid',os.getpid()) #part2:开多个进程,每个进程都有不同的pid p1=Process(target=work) p2=Process(target=work) p1.start() p2.start() print('主线程/主进程pid',os.getpid())
开启效率的比较
from threading import Thread from multiprocessing import Process import os def work(): print('hello') if __name__ == '__main__': #在主进程下开启线程 t=Thread(target=work) t.start() print('主线程/主进程') ''' 打印结果: hello 主线程/主进程 ''' #在主进程下开启子进程 t=Process(target=work) t.start() print('主线程/主进程') ''' 打印结果: 主线程/主进程 hello '''
内存数据的共享问题
from threading import Thread from multiprocessing import Process import os def work(): global n n=0 if __name__ == '__main__': # n=100 # p=Process(target=work) # p.start() # p.join() # print('主',n) #毫无疑问子进程p已经将自己的全局的n改成了0,但改的仅仅是它自己的,查看父进程的n仍然为100 n=1 t=Thread(target=work) t.start() t.join() print('主',n) #查看结果为0,因为同一进程内的线程之间共享进程内的数据 同一进程内的线程共享该进程的数据？ 内存数据的共享问题
练习 ：多线程实现socket
#_*_coding:utf-8_*_ #!/usr/bin/env python import multiprocessing import threading import socket s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) s.bind(('127.0.0.1',8080)) s.listen(5) def action(conn): while True: data=conn.recv(1024) print(data) conn.send(data.upper()) if __name__ == '__main__': while True: conn,addr=s.accept() p=threading.Thread(target=action,args=(conn,)) p.start()
client
#_*_coding:utf-8_*_ #!/usr/bin/env python import socket s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) s.connect(('127.0.0.1',8080)) while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue s.send(msg.encode('utf-8')) data=s.recv(1024) print(data)
Thread类的其他方法
Thread实例对象的方法 # isAlive(): 返回线程是否活动的。 # getName(): 返回线程名。 # setName(): 设置线程名。 threading模块提供的一些方法： # threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。 源代码里：currentThread = current_thread # 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。
代码示例
from threading import Thread import threading from multiprocessing import Process import os def work(): import time time.sleep(3) print(threading.current_thread().getName()) if __name__ == '__main__': #在主进程下开启线程 t=Thread(target=work) t.start() print(threading.current_thread().getName()) print(threading.current_thread()) #主线程 print(threading.enumerate()) #连同主线程在内有两个运行的线程 print(threading.active_count()) print('主线程/主进程') ''' 打印结果: MainThread <_MainThread(MainThread, started 140735268892672)> [<_MainThread(MainThread, started 140735268892672)>, <Thread(Thread-1, started 123145307557888)>] 主线程/主进程 Thread-1 '''
join方法
from threading import Thread import time def sayhi(name): time.sleep(2) print('%s say hello' %name) if __name__ == '__main__': t=Thread(target=sayhi,args=('egon',)) t.start() t.join() print('主线程') print(t.is_alive()) ''' egon say hello 主线程 False '''
守护线程
无论是进程还是线程，都遵循：守护xx会等待主xx运行完毕后被销毁。需要强调的是：运行完毕并非终止运行
#1.对主进程来说，运行完毕指的是主进程代码运行完毕 #2.对主线程来说，运行完毕指的是主线程所在的进程内所有非守护线程统统运行完毕，主线程才算运行完毕
#1 主进程在其代码结束后就已经算运行完毕了（守护进程在此时就被回收）,然后主进程会一直等非守护的子进程都运行完毕后回收子进程的资源(否则会产生僵尸进程)，才会结束， #2 主线程在其他非守护线程运行完毕后才算运行完毕（守护线程在此时就被回收）。因为主线程的结束意味着进程的结束，进程整体的资源都将被回收，而进程必须保证非守护线程都运行完毕后才能结束。
例1
from threading import Thread import time def sayhi(name): time.sleep(2) print('%s say hello' %name) if __name__ == '__main__': t=Thread(target=sayhi,args=('egon',)) t.setDaemon(True) #必须在t.start()之前设置 t.start() print('主线程') print(t.is_alive()) ''' 主线程 True '''
例2
from threading import Thread import time def foo(): print(123) time.sleep(1) print("end123") def bar(): print(456) time.sleep(3) print("end456") t1=Thread(target=foo) t2=Thread(target=bar) t1.daemon=True t1.start() t2.start() print("main-------")
8.2 锁
为什么要用GIL
因为CPython解释器的垃圾回收机制不是线程安全的
锁与GIL
1）线程抢的是GIL锁，GIL锁相当于执行权限，拿到执行权限后才能拿到互斥锁Lock，其他线程也可以抢到GIL，但如果发现Lock仍然没有被释放则阻塞，即便是拿到执行权限GIL也要立刻交出来
2）join是等待所有，即整体串行，而锁只是锁住修改共享数据的部分，即部分串行，要想保证数据安全的根本原理在于让并发变成串行，join与互斥锁都可以实现，毫无疑问，互斥锁的部分串行效率要更高
3）GIL 与Lock是两把锁，保护的数据不一样，前者是解释器级别的（当然保护的就是解释器级别的数据，比如垃圾回收的数据），后者是保护用户自己开发的应用程序的数据，很明显GIL不负责这件事，只能用户自定义加锁处理，即Lock
2.过程分析
所有线程抢的是GIL锁，或者说所有线程抢的是执行权限
线程1抢到GIL锁，拿到执行权限，开始执行，然后加了一把Lock，还没有执行完毕，即线程1还未释放Lock，有可能线程2抢到GIL锁，开始执行，执行过程中发现Lock还没有被线程1释放，于是线程2进入阻塞，被夺走执行权限，有可能线程1拿到GIL，然后正常执行到释放Lock。。。这就导致了串行运行的效果
既然是串行，那我们执行
t1.start()
t1.join
t2.start()
t2.join()
这也是串行执行啊，为何还要加Lock呢，需知join是等待t1所有的代码执行完，相当于锁住了t1的所有代码，而Lock只是锁住一部分操作共享数据的代码。
3.Lock使用
锁通常被用来实现对共享资源的同步访问。为每一个共享资源创建一个Lock对象，当你需要访问该资源时，调用acquire方法来获取锁对象（如果其它线程已经获得了该锁，则当前线程需等待其被释放），待资源访问完后，再调用release方法释放锁：
同步锁
from threading import Thread import os,time def work(): global n temp=n time.sleep(0.1) n=temp-1 if __name__ == '__main__': n=100 l=[] for i in range(100): p=Thread(target=work) l.append(p) p.start() for p in l: p.join() print(n) #结果可能为99
同步锁的引用
from threading import Thread,Lock import os,time def work(): global n lock.acquire() temp=n time.sleep(0.1) n=temp-1 lock.release() if __name__ == '__main__': lock=Lock() n=100 l=[] for i in range(100): p=Thread(target=work) l.append(p) p.start() for p in l: p.join() print(n) #结果肯定为0，由原来的并发执行变成串行，牺牲了执行效率保证了数据安全
互斥锁与join的区别
#不加锁:并发执行,速度快,数据不安全 from threading import current_thread,Thread,Lock import os,time def task(): global n print('%s is running' %current_thread().getName()) temp=n time.sleep(0.5) n=temp-1 if __name__ == '__main__': n=100 lock=Lock() threads=[] start_time=time.time() for i in range(100): t=Thread(target=task) threads.append(t) t.start() for t in threads: t.join() stop_time=time.time() print('主:%s n:%s' %(stop_time-start_time,n)) ''' Thread-1 is running Thread-2 is running ...... Thread-100 is running 主:0.5216062068939209 n:99 ''' #不加锁:未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度慢,数据安全 from threading import current_thread,Thread,Lock import os,time def task(): #未加锁的代码并发运行 time.sleep(3) print('%s start to run' %current_thread().getName()) global n #加锁的代码串行运行 lock.acquire() temp=n time.sleep(0.5) n=temp-1 lock.release() if __name__ == '__main__': n=100 lock=Lock() threads=[] start_time=time.time() for i in range(100): t=Thread(target=task) threads.append(t) t.start() for t in threads: t.join() stop_time=time.time() print('主:%s n:%s' %(stop_time-start_time,n)) ''' Thread-1 is running Thread-2 is running ...... Thread-100 is running 主:53.294203758239746 n:0 ''' #有的同学可能有疑问:既然加锁会让运行变成串行,那么我在start之后立即使用join,就不用加锁了啊,也是串行的效果啊 #没错:在start之后立刻使用jion,肯定会将100个任务的执行变成串行,毫无疑问,最终n的结果也肯定是0,是安全的,但问题是 #start后立即join:任务内的所有代码都是串行执行的,而加锁,只是加锁的部分即修改共享数据的部分是串行的 #单从保证数据安全方面,二者都可以实现,但很明显是加锁的效率更高. from threading import current_thread,Thread,Lock import os,time def task(): time.sleep(3) print('%s start to run' %current_thread().getName()) global n temp=n time.sleep(0.5) n=temp-1 if __name__ == '__main__': n=100 lock=Lock() start_time=time.time() for i in range(100): t=Thread(target=task) t.start() t.join() stop_time=time.time() print('主:%s n:%s' %(stop_time-start_time,n)) ''' Thread-1 start to run Thread-2 start to run ...... Thread-100 start to run 主:350.6937336921692 n:0 #耗时是多么的恐怖 ''' ）
死锁与递归锁
所谓死锁： 是指两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程，如下就是死锁
from threading import Lock as Lock import time mutexA=Lock() mutexA.acquire() mutexA.acquire() print(123) mutexA.release() mutexA.release()
解决方法，递归锁，在Python中为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了可重入锁RLock。
这个RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次require。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。上面的例子如果使用RLock代替Lock，则不会发生死锁：
from threading import RLock as Lock import time mutexA=Lock() mutexA.acquire() mutexA.acquire() print(123) mutexA.release() mutexA.release()
典型问题：科学家吃面（死锁问题）
import time from threading import Thread,Lock noodle_lock = Lock() fork_lock = Lock() def eat1(name): noodle_lock.acquire() print('%s 抢到了面条'%name) fork_lock.acquire() print('%s 抢到了叉子'%name) print('%s 吃面'%name) fork_lock.release() noodle_lock.release() def eat2(name): fork_lock.acquire() print('%s 抢到了叉子' % name) time.sleep(1) noodle_lock.acquire() print('%s 抢到了面条' % name) print('%s 吃面' % name) noodle_lock.release() fork_lock.release() for name in ['哪吒','egon','yuan']: t1 = Thread(target=eat1,args=(name,)) t2 = Thread(target=eat2,args=(name,)) t1.start() t2.start()
递归锁解决死锁问题
import time from threading import Thread,RLock fork_lock = noodle_lock = RLock() def eat1(name): noodle_lock.acquire() print('%s 抢到了面条'%name) fork_lock.acquire() print('%s 抢到了叉子'%name) print('%s 吃面'%name) fork_lock.release() noodle_lock.release() def eat2(name): fork_lock.acquire() print('%s 抢到了叉子' % name) time.sleep(1) noodle_lock.acquire() print('%s 抢到了面条' % name) print('%s 吃面' % name) noodle_lock.release() fork_lock.release() for name in ['哪吒','egon','yuan']: t1 = Thread(target=eat1,args=(name,)) t2 = Thread(target=eat2,args=(name,)) t1.start() t2.start()
条件condition
Condition（条件变量）通常与一个锁关联。需要在多个Contidion中共享一个锁时，可以传递一个Lock/RLock实例给构造方法，否则它将自己生成一个RLock实例。
可以认为，除了Lock带有的锁定池外，Condition还包含一个等待池，池中的线程处于状态图中的等待阻塞状态，直到另一个线程调用notify()/notifyAll()通知；得到通知后线程进入锁定池等待锁定。
Condition():
- acquire(): 线程锁
- release(): 释放锁
- wait(timeout): 线程挂起，直到收到一个notify通知或者超时（可选的，浮点数，单位是秒s）才会被唤醒继续运行。wait()必须在已获得Lock前提下才能调用，否则会触发RuntimeError。
- notify(n=1): 通知其他线程，那些挂起的线程接到这个通知之后会开始运行，默认是通知一个正等待该condition的线程,最多则唤醒n个等待的线程。notify()必须在已获得Lock前提下才能调用，否则会触发RuntimeError。notify()不会主动释放Lock。
- notifyAll(): 如果wait状态线程比较多，notifyAll的作用就是通知所有线程
实现场景：当a同学王火锅里面添加鱼丸加满后（最多5个，加满后通知b去吃掉），通知b同学去吃掉鱼丸（吃到0的时候通知a同学继续添加）
# coding=utf-8 import threading import time con = threading.Condition() num = 0 # 生产者 class Producer(threading.Thread): def __init__(self): threading.Thread.__init__(self) def run(self): # 锁定线程 global num con.acquire() while True: print("开始添加！！！") num += 1 print("火锅里面鱼丸个数：%s" % str(num)) time.sleep(1) if num >= 5: print("火锅里面里面鱼丸数量已经到达5个，无法添加了！") # 唤醒等待的线程 con.notify() # 唤醒小伙伴开吃啦 # 等待通知 con.wait() #当while退出则开锁。此程序中运行不到这句话 con.release() # 消费者 class Consumers(threading.Thread): def __init__(self): threading.Thread.__init__(self) def run(self): con.acquire() global num while True: print("开始吃啦！！！") num -= 1 print("火锅里面剩余鱼丸数量：%s" %str(num)) time.sleep(2) if num <= 0: print("锅底没货了，赶紧加鱼丸吧！") con.notify() # 唤醒其它线程 # 等待通知 con.wait() # 当while退出则开锁。此程序中运行不到这句话 con.release() p = Producer() c = Consumers() p.start() c.start()
定时器
定时器，一段时间后执行一个线程
# 每隔5秒钟启动一个线程 import time from threading import Timer def func(): print("时间同步") while True: t = Timer(5,func).start() # 非阻塞的 time.sleep(5) # 如果没有sleep，会疯狂启动线程
九、python 中 4种锁的使用示例
9.1 Lock互斥锁
使用前
num = 0 def a(): global num for _ in range(10000): num += 1 def b(): global num for _ in range(10000): num += 1 if __name__ == '__main__': t1=Thread(target=a) t1.start() t2=Thread(target=b) t2.start() t1.join() t2.join() print(num) #基本永远会小于20000
使用后
num = 0 def a(lock): global num for _ in range(10000): with lock: num += 1 def b(lock): global num for _ in range(10000): with lock: num += 1 if __name__ == '__main__': lock = threading.Lock() t1=Thread(target=a, args=(lock,)) t1.start() t2=Thread(target=b, args=(lock,)) t2.start() t1.join() t2.join() print(num) #永远会输出20000
9.2 RLock重用锁
使用前
#在之前的代码中永远不可能出现锁在没释放之前重新获得锁，但rlock可以做到，但只能发生在一个线程中，如： num = 0 def a(lock): with lock: print("我是A") b(lock) def b(lock): with lock: print("我是b") if __name__ == '__main__': lock = threading.Lock() t1 = Thread(target=a, args=(lock,)) t1.start() #会发生死锁，因为在第一次还没释放锁后，b就准备上锁，并阻止a释放锁
使用后
if __name__ == '__main__': lock = threading.RLock() #只需要改变锁为RLock程序马上恢复 t1 = Thread(target=a, args=(lock,)) t1.start()
9.3 Condition同步锁
使用前
#这个程序我们模拟甲乙对话 Jlist = ["在吗", "干啥呢", "去玩儿不", "好吧"] Ylist = ["在呀", "玩儿手机", "不去"] def J(list): for i in list: print(i) time.sleep(0.1) def Y(list): for i in list: print(i) time.sleep(0.1) if __name__ == '__main__': t1 = Thread(target=J, args=(Jlist,)) t1.start() t1.join() t2 = Thread(target=Y, args=(Ylist,)) t2.start() t2.join() #上面的程序输出后发现效果就是咱们想要的，但是我们每次输出后都要等待0.1秒，也无法正好确定可以拿到时间片的最短时间值，并且不能保证每次正好都是另一个线程执行。因此，我们用以下方式，完美解决这些问题。
使用后
Jlist = ["在吗", "干啥呢", "去玩儿不", "好吧"] Ylist = ["在呀", "玩儿手机", "不去","哦"] def J(cond, list): for i in list: with cond: print(i) cond.notify() cond.wait() def Y(cond, list): for i in list: with cond: cond.wait() print(i) cond.notify() if __name__ == '__main__': cond = threading.Condition() t1 = Thread(target=J, args=(cond, Jlist)) t2 = Thread(target=Y, args=(cond, Ylist)) t2.start() t1.start() #一定保证t1启动在t2之后,因为notify发送的信号要被t2接受到，如果t1先启动，会发生阻塞。
9.4 Seamplore信号量
使用前
class B(threading.Thread): def __init__(self, name): super().__init__() self.name = name def run(self): time.sleep(1) print(self.name) class A(threading.Thread): def __init__(self): super().__init__() def run(self): for i in range(100): b = B(i) b.start() if __name__ == '__main__': a = A() a.start() #执行后发现不断在输出
使用后
class B(threading.Thread): def __init__(self, name, sem): super().__init__() self.name = name self.sem = sem def run(self): time.sleep(1) print(self.name) sem.release() class A(threading.Thread): def __init__(self, sem): super().__init__() self.sem = sem def run(self): for i in range(100): self.sem.acquire() b = B(i, self.sem) b.start() if __name__ == '__main__': sem = threading.Semaphore(value=3) a = A(sem) a.start() #通过执行上面的代码，我们发现一次只能输出三个数字，sem控制访问并发量
九、线程队列
queue队列 ：使用import queue，用法与进程Queue一样
queue is especially useful in threaded programming when information must be exchanged safely between multiple threads.
- class
queue.Queue(maxsize=0) #先进先出
import queue q=queue.Queue() q.put('first') q.put('second') q.put('third') print(q.get()) print(q.get()) print(q.get()) ''' 结果(先进先出): first second third '''
class queue.LifoQueue(maxsize=0) #last in fisrt out 后进先出
import queue q=queue.LifoQueue() q.put('first') q.put('second') q.put('third') print(q.get()) print(q.get()) print(q.get()) ''' 结果(后进先出): third second first '''
class queue.PriorityQueue(maxsize=0) #存储数据时可设置优先级的队列
import queue q=queue.PriorityQueue() #put进入一个元组,元组的第一个元素是优先级(通常是数字,也可以是非数字之间的比较),数字越小优先级越高 q.put((20,'a')) q.put((10,'b')) q.put((30,'c')) print(q.get()) print(q.get()) print(q.get()) ''' 结果(数字越小优先级越高,优先级高的优先出队): (10, 'b') (20, 'a') (30, 'c') '''
更多方法
Constructor for a priority queue. maxsize is an integer that sets the upperbound limit on the number of items that can be placed in the queue. Insertion will block once this size has been reached, until queue items are consumed. If maxsize is less than or equal to zero, the queue size is infinite. The lowest valued entries are retrieved first (the lowest valued entry is the one returned by sorted(list(entries))[0]). A typical pattern for entries is a tuple in the form: (priority_number, data). exception queue.Empty Exception raised when non-blocking get() (or get_nowait()) is called on a Queue object which is empty. exception queue.Full Exception raised when non-blocking put() (or put_nowait()) is called on a Queue object which is full. Queue.qsize() Queue.empty() #return True if empty Queue.full() # return True if full Queue.put(item, block=True, timeout=None) Put item into the queue. If optional args block is true and timeout is None (the default), block if necessary until a free slot is available. If timeout is a positive number, it blocks at most timeout seconds and raises the Full exception if no free slot was available within that time. Otherwise (block is false), put an item on the queue if a free slot is immediately available, else raise the Full exception (timeout is ignored in that case). Queue.put_nowait(item) Equivalent to put(item, False). Queue.get(block=True, timeout=None) Remove and return an item from the queue. If optional args block is true and timeout is None (the default), block if necessary until an item is available. If timeout is a positive number, it blocks at most timeout seconds and raises the Empty exception if no item was available within that time. Otherwise (block is false), return an item if one is immediately available, else raise the Empty exception (timeout is ignored in that case). Queue.get_nowait() Equivalent to get(False). Two methods are offered to support tracking whether enqueued tasks have been fully processed by daemon consumer threads. Queue.task_done() Indicate that a formerly enqueued task is complete. Used by queue consumer threads. For each get() used to fetch a task, a subsequent call to task_done() tells the queue that the processing on the task is complete. If a join() is currently blocking, it will resume when all items have been processed (meaning that a task_done() call was received for every item that had been put() into the queue). Raises a ValueError if called more times than there were items placed in the queue. Queue.join() block直到queue被消费完毕
十、Python标准模块--concurrent.futures
https://docs.python.org/dev/library/concurrent.futures.html
系统启动一个新线程的成本是比较高的，因为它涉及与操作系统的交互。在这种情形下，使用线程池可以很好地提升性能，尤其是当程序中需要创建大量生存期很短暂的线程时，更应该考虑使用线程池。
线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程，程序只要将一个函数提交给线程池，线程池就会启动一个空闲的线程来执行它。当该函数执行结束后，该线程并不会死亡，而是再次返回到线程池中变成空闲状态，等待执行下一个函数。
此外，使用线程池可以有效地控制系统中并发线程的数量。当系统中包含有大量的并发线程时，会导致系统性能急剧下降，甚至导致 Python 解释器崩溃，而线程池的最大线程数参数可以控制系统中并发线程的数量不超过此数。
10.1 线程池的使用
线程池的基类是 concurrent.futures 模块中的 Executor，Executor 提供了两个子类，即 ThreadPoolExecutor 和 ProcessPoolExecutor，其中 ThreadPoolExecutor 用于创建线程池，而 ProcessPoolExecutor 用于创建进程池。
如果使用线程池/进程池来管理并发编程，那么只要将相应的 task 函数提交给线程池/进程池，剩下的事情就由线程池/进程池来搞定。
Exectuor 提供了如下常用方法：
- submit(fn, *args, **kwargs)：将 fn 函数提交给线程池。*args 代表传给 fn 函数的参数，*kwargs 代表以关键字参数的形式为 fn 函数传入参数。
- map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1)：该函数类似于全局函数 map(func, *iterables)，只是该函数将会启动多个线程，以异步方式立即对 iterables 执行 map 处理。
- shutdown(wait=True)：关闭线程池。
程序将 task 函数提交（submit）给线程池后，submit 方法会返回一个 Future 对象，Future 类主要用于获取线程任务函数的返回值。由于线程任务会在新线程中以异步方式执行，因此，线程执行的函数相当于一个“将来完成”的任务，所以 Python 使用 Future 来代表。
Future 提供了如下方法：
- cancel()：取消该 Future 代表的线程任务。如果该任务正在执行，不可取消，则该方法返回 False；否则，程序会取消该任务，并返回 True。
- cancelled()：返回 Future 代表的线程任务是否被成功取消。
- running()：如果该 Future 代表的线程任务正在执行、不可被取消，该方法返回 True。
- done()：如果该 Funture 代表的线程任务被成功取消或执行完成，则该方法返回 True。
- result(timeout=None)：获取该 Future 代表的线程任务最后返回的结果。如果 Future 代表的线程任务还未完成，该方法将会阻塞当前线程，其中 timeout 参数指定最多阻塞多少秒。
- exception(timeout=None)：获取该 Future 代表的线程任务所引发的异常。如果该任务成功完成，没有异常，则该方法返回 None。
- add_done_callback(fn)：为该 Future 代表的线程任务注册一个“回调函数”，当该任务成功完成时，程序会自动触发该 fn 函数。
在用完一个线程池后，应该调用该线程池的 shutdown() 方法，该方法将启动线程池的关闭序列。调用 shutdown() 方法后的线程池不再接收新任务，但会将以前所有的已提交任务执行完成。当线程池中的所有任务都执行完成后，该线程池中的所有线程都会死亡。
使用线程池来执行线程任务的步骤如下：
- 调用 ThreadPoolExecutor 类的构造器创建一个线程池。
- 定义一个普通函数作为线程任务。
- 调用 ThreadPoolExecutor 对象的 submit() 方法来提交线程任务。
- 当不想提交任何任务时，调用 ThreadPoolExecutor 对象的 shutdown() 方法来关闭线程池。
下面程序示范了如何使用线程池来执行线程任务：
def test(value1, value2=None): print("%s threading is printed %s, %s"%(threading.current_thread().name, value1, value2)) time.sleep(2) return 'finished' def test_result(future): print(future.result()) if __name__ == "__main__": import numpy as np from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor threadPool = ThreadPoolExecutor(max_workers=4, thread_name_prefix="test_") for i in range(0,10): future = threadPool.submit(test, i,i+1) threadPool.shutdown(wait=True)
结果：
test__0 threading is printed 0, 1
test__1 threading is printed 1, 2
test__2 threading is printed 2, 3
test__3 threading is printed 3, 4
test__1 threading is printed 4, 5
test__0 threading is printed 5, 6
test__3 threading is printed 6, 7
10.2 获取执行结果
前面程序调用了 Future 的 result() 方法来获取线程任务的运回值，但该方法会阻塞当前主线程，只有等到钱程任务完成后，result() 方法的阻塞才会被解除。
如果程序不希望直接调用 result() 方法阻塞线程，则可通过 Future 的 add_done_callback() 方法来添加回调函数，该回调函数形如 fn(future)。当线程任务完成后，程序会自动触发该回调函数，并将对应的 Future 对象作为参数传给该回调函数。
直接调用result函数结果
def test(value1, value2=None): print("%s threading is printed %s, %s"%(threading.current_thread().name, value1, value2)) time.sleep(2) return 'finished' def test_result(future): print(future.result()) if __name__ == "__main__": import numpy as np from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor threadPool = ThreadPoolExecutor(max_workers=4, thread_name_prefix="test_") for i in range(0,10): future = threadPool.submit(test, i,i+1) # future.add_done_callback(test_result) print(future.result()) threadPool.shutdown(wait=True) print('main finished')
结果：
test__0 threading is printed 0, 1
finished
test__0 threading is printed 1, 2
finished
test__1 threading is printed 2, 3
finished
去掉上面注释部分，调用future.add_done_callback函数，注释掉第16行
test__0 threading is printed 0, 1 test__1 threading is printed 1, 2 test__2 threading is printed 2, 3 test__3 threading is printed 3, 4 finished finished finished test__1 threading is printed 4, 5 test__0 threading is printed 5, 6 finished
另外，由于线程池实现了上下文管理协议（Context Manage Protocol），因此，程序可以使用 with 语句来管理线程池，这样即可避免手动关闭线程池，如上面的程序所示。
此外，Exectuor 还提供了一个 map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1) 方法，该方法的功能类似于全局函数 map()，区别在于线程池的 map() 方法会为 iterables 的每个元素启动一个线程，以并发方式来执行 func 函数。这种方式相当于启动 len(iterables) 个线程，井收集每个线程的执行结果。
例如，如下程序使用 Executor 的 map() 方法来启动线程，并收集线程任务的返回值：
示例换成多参数的：
def test(value1, value2=None): print("%s threading is printed %s, %s"%(threading.current_thread().name, value1, value2)) # time.sleep(2) if __name__ == "__main__": import numpy as np from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor threadPool = ThreadPoolExecutor(max_workers=4, thread_name_prefix="test_") for i in range(0,10): # test(str(i), str(i+1)) threadPool.map(test, [i],[i+1]) # 这是运行一次test的参数，众所周知map可以让test执行多次，即一个[]代表一个参数，一个参数赋予不同的值即增加[]的长度如从[1]到[1,2,3] threadPool.shutdown(wait=True)
上面程序使用 map() 方法来启动 4个线程（该程序的线程池包含 4 个线程，如果继续使用只包含两个线程的线程池，此时将有一个任务处于等待状态，必须等其中一个任务完成，线程空闲出来才会获得执行的机会），map() 方法的返回值将会收集每个线程任务的返回结果。
通过上面程序可以看出，使用 map() 方法来启动线程，并收集线程的执行结果，不仅具有代码简单的优点，而且虽然程序会以并发方式来执行 test() 函数，但最后收集的 test() 函数的执行结果，依然与传入参数的结果保持一致。
其他介绍
#1 介绍 concurrent.futures模块提供了高度封装的异步调用接口 ThreadPoolExecutor：线程池，提供异步调用 ProcessPoolExecutor: 进程池，提供异步调用 Both implement the same interface, which is defined by the abstract Executor class. #2 基本方法 #submit(fn, *args, **kwargs) 异步提交任务 #map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1) 取代for循环submit的操作 #shutdown(wait=True) 相当于进程池的pool.close()+pool.join()操作 wait=True，等待池内所有任务执行完毕回收完资源后才继续 wait=False，立即返回，并不会等待池内的任务执行完毕 但不管wait参数为何值，整个程序都会等到所有任务执行完毕 submit和map必须在shutdown之前 #result(timeout=None) 取得结果 #add_done_callback(fn) 回调函数 # done() 判断某一个线程是否完成 # cancle() 取消某个任务
ProcessPoolExecutor
#介绍 The ProcessPoolExecutor class is an Executor subclass that uses a pool of processes to execute calls asynchronously. ProcessPoolExecutor uses the multiprocessing module, which allows it to side-step the Global Interpreter Lock but also means that only picklable objects can be executed and returned. class concurrent.futures.ProcessPoolExecutor(max_workers=None, mp_context=None) An Executor subclass that executes calls asynchronously using a pool of at most max_workers processes. If max_workers is None or not given, it will default to the number of processors on the machine. If max_workers is lower or equal to 0, then a ValueError will be raised. #用法 from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor,ProcessPoolExecutor import os,time,random def task(n): print('%s is runing' %os.getpid()) time.sleep(random.randint(1,3)) return n**2 if __name__ == '__main__': executor=ProcessPoolExecutor(max_workers=3) futures=[] for i in range(11): future=executor.submit(task,i) futures.append(future) executor.shutdown(True) print('+++>') for future in futures: print(future.result())
ThreadPoolExecutor
#介绍 ThreadPoolExecutor is an Executor subclass that uses a pool of threads to execute calls asynchronously. class concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=None, thread_name_prefix='') An Executor subclass that uses a pool of at most max_workers threads to execute calls asynchronously. Changed in version 3.5: If max_workers is None or not given, it will default to the number of processors on the machine, multiplied by 5, assuming that ThreadPoolExecutor is often used to overlap I/O instead of CPU work and the number of workers should be higher than the number of workers for ProcessPoolExecutor. New in version 3.6: The thread_name_prefix argument was added to allow users to control the threading.Thread names for worker threads created by the pool for easier debugging. #用法 与ProcessPoolExecutor相同
map 的用法
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor,ProcessPoolExecutor import os,time,random def task(n): print('%s is runing' %os.getpid()) time.sleep(random.randint(1,3)) return n**2 if __name__ == '__main__': executor=ThreadPoolExecutor(max_workers=3) # for i in range(11): # future=executor.submit(task,i) executor.map(task,range(1,12)) #map取代了for+submit
回调函数
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor,ProcessPoolExecutor from multiprocessing import Pool import requests import json import os def get_page(url): print('<进程%s> get %s' %(os.getpid(),url)) respone=requests.get(url) if respone.status_code == 200: return {'url':url,'text':respone.text} def parse_page(res): res=res.result() print('<进程%s> parse %s' %(os.getpid(),res['url'])) parse_res='url:<%s> size:[%s]\n' %(res['url'],len(res['text'])) with open('db.txt','a') as f: f.write(parse_res) if __name__ == '__main__': urls=[ 'https://www.baidu.com', 'https://www.python.org', 'https://www.openstack.org', 'https://help.github.com/', 'http://www.sina.com.cn/' ] # p=Pool(3) # for url in urls: # p.apply_async(get_page,args=(url,),callback=pasrse_page) # p.close() # p.join() p=ProcessPoolExecutor(3) for url in urls: p.submit(get_page,url).add_done_callback(parse_page) #parse_page拿到的是一个future对象obj，需要用obj.result()拿到结果
