Python3 多執行緒

Python3 多執行緒

多執行緒類似於同時執行多個不同程式，多執行緒執行有如下優點：

  • 使用執行緒可以把佔據長時間的程式中的任務放到後臺去處理。
  • 使用者介面可以更加吸引人，比如使用者點選了一個按鈕去觸發某些事件的處理，可以彈出一個進度條來顯示處理的進度。
  • 程式的執行速度可能加快。
  • 在一些等待的任務實現上如使用者輸入、檔案讀寫和網路收發資料等，執行緒就比較有用了。在這種情況下我們可以釋放一些珍貴的資源如記憶體佔用等等。

每個獨立的執行緒有一個程式執行的入口、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，稱為執行緒的上下文，該上下文反映了執行緒上次執行該執行緒的CPU暫存器的狀態。

指令指標和堆疊指標暫存器是執行緒上下文中兩個最重要的暫存器，執行緒總是在程序得到上下文中執行的，這些地址都用於標誌擁有執行緒的程序地址空間中的記憶體。

  • 執行緒可以被搶佔（中斷）。
  • 在其他執行緒正在執行時，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:

  • 核心執行緒：由作業系統核心建立和撤銷。
  • 使用者執行緒：不需要核心支援而在使用者程式中實現的執行緒。

Python3 執行緒中常用的兩個模組為：

  • _thread
  • threading(推薦使用)

thread 模組已被廢棄。使用者可以使用 threading 模組代替。所以，在 Python3 中不能再使用"thread" 模組。為了相容性，Python3 將 thread 重新命名為 "_thread"。


開始學習Python執行緒

Python中使用執行緒有兩種方式：函式或者用類來包裝執行緒物件。

函式式：呼叫 _thread 模組中的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。

例項

#!/usr/bin/python3

import _thread
import time

# 為執行緒定義一個函式
def print_time( threadName, delay):
   count = 0
   while count < 5:
      time.sleep(delay)
      count += 1
      print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))

# 建立兩個執行緒
try:
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
except:
   print ("Error: 無法啟動執行緒")

while 1:
   pass

執行以上程式輸出結果如下：

Thread-1: Wed Apr  6 11:36:31 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:36:33 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:36:33 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:36:35 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:36:37 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:36:37 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:36:39 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:36:41 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:36:45 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:36:49 2016

執行以上程後可以按下 ctrl-c 退出。

執行緒模組

Python3 通過兩個標準庫 _thread 和 threading 提供對執行緒的支援。

_thread 提供了低級別的、原始的執行緒以及一個簡單的鎖，它相比於 threading 模組的功能還是比較有限的。

threading 模組除了包含 _thread 模組中的所有方法外，還提供的其他方法：

  • threading.currentThread(): 返回當前的執行緒變數。
  • threading.enumerate(): 返回一個包含正在執行的執行緒的list。正在執行指執行緒啟動後、結束前，不包括啟動前和終止後的執行緒。
  • threading.activeCount(): 返回正在執行的執行緒數量，與len(threading.enumerate())有相同的結果。

除了使用方法外，執行緒模組同樣提供了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(): 返回執行緒是否活動的。
  • getName(): 返回執行緒名。
  • setName(): 設定執行緒名。

使用 threading 模組建立執行緒

我們可以通過直接從 threading.Thread 繼承建立一個新的子類，並例項化後呼叫 start() 方法啟動新執行緒，即它呼叫了執行緒的 run() 方法：

例項

#!/usr/bin/python3

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 ("開始執行緒：" + self.name)
        print_time(self.name, self.counter, 5)
        print ("退出執行緒：" + 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

# 建立新執行緒
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# 開啟新執行緒
thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()
print ("退出主執行緒")

以上程式執行結果如下；

開始執行緒：Thread-1
開始執行緒：Thread-2
Thread-1: Wed Apr  6 11:46:46 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:46:47 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:46:47 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:46:48 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:46:49 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:46:49 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:46:50 2016
退出執行緒：Thread-1
Thread-2: Wed Apr  6 11:46:51 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:46:53 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:46:55 2016
退出執行緒：Thread-2
退出主執行緒

執行緒同步

如果多個執行緒共同對某個資料修改，則可能出現不可預料的結果，為了保證資料的正確性，需要對多個執行緒進行同步。

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。如下：

多執行緒的優勢在於可以同時執行多個任務（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。

考慮這樣一種情況：一個列表裡所有元素都是0，執行緒"set"從後向前把所有元素改成1，而執行緒"print"負責從前往後讀取列表並列印。

那麼，可能執行緒"set"開始改的時候，執行緒"print"便來列印列表了，輸出就成了一半0一半1，這就是資料的不同步。為了避免這種情況，引入了鎖的概念。

鎖有兩種狀態——鎖定和未鎖定。每當一個執行緒比如"set"要訪問共享資料時，必須先獲得鎖定；如果已經有別的執行緒比如"print"獲得鎖定了，那麼就讓執行緒"set"暫停，也就是同步阻塞；等到執行緒"print"訪問完畢，釋放鎖以後，再讓執行緒"set"繼續。

經過這樣的處理，列印列表時要麼全部輸出0，要麼全部輸出1，不會再出現一半0一半1的尷尬場面。

例項

#!/usr/bin/python3

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 ("開啟執行緒： " + self.name)
        # 獲取鎖，用於執行緒同步
        threadLock.acquire()
        print_time(self.name, self.counter, 3)
        # 釋放鎖，開啟下一個執行緒
        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 = []

# 建立新執行緒
thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

# 開啟新執行緒
thread1.start()
thread2.start()

# 新增執行緒到執行緒列表
threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

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

執行以上程式，輸出結果為：

開啟執行緒： Thread-1
開啟執行緒： Thread-2
Thread-1: Wed Apr  6 11:52:57 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:52:58 2016
Thread-1: Wed Apr  6 11:52:59 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:53:01 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:53:03 2016
Thread-2: Wed Apr  6 11:53:05 2016
退出主執行緒

執行緒優先順序佇列（ Queue）

Python 的 Queue 模組中提供了同步的、執行緒安全的佇列類，包括FIFO（先入先出)佇列Queue，LIFO（後入先出）佇列LifoQueue，和優先順序佇列 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 模組中的常用方法:

  • Queue.qsize() 返回佇列的大小
  • Queue.empty() 如果佇列為空，返回True,反之False
  • Queue.full() 如果佇列滿了，返回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傳送一個訊號
  • Queue.join() 實際上意味著等到佇列為空，再執行別的操作

例項

#!/usr/bin/python3

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 ("開啟執行緒：" + self.name)
        process_data(self.name, self.q)
        print ("退出執行緒：" + 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

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

# 填充佇列
queueLock.acquire()
for word in nameList:
    workQueue.put(word)
queueLock.release()

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

# 通知執行緒是時候退出
exitFlag = 1

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

以上程式執行結果：

開啟執行緒：Thread-1
開啟執行緒：Thread-2
開啟執行緒：Thread-3
Thread-3 processing One
Thread-1 processing Two
Thread-2 processing Three
Thread-3 processing Four
Thread-1 processing Five
退出執行緒：Thread-3
退出執行緒：Thread-2
退出執行緒：Thread-1
退出主執行緒