Python - 多线程

在 Python 中，多线程允许您在单个进程中同时运行多个线程，这也称为基于线程的并行性。这意味着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 中的多线程处理对于多个 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，计算机程序从头到尾按顺序执行指令。而 Multithreading 将主任务划分为多个子任务并以重叠的方式执行它们。

与进程的比较

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其他进程中的任何内容。

另一方面，线程可以被视为单个程序中的轻量级子进程，它共享分配给它的内存空间，从而促进更轻松的通信和数据共享。因为它们是轻量级的，不需要太多的内存开销;它们比流程便宜。

进程始终从单个线程 （主线程） 开始。如果需要，可以启动一个新线程并将 sub task 委派给它。现在，这两个线程以重叠的方式工作。当分配给辅助线程的任务结束时，它与主线程合并。

线程具有开始、执行序列和结束。它有一个指令指针，用于跟踪它当前在其上下文中的运行位置。

• 它可以被抢占 （中断）
• 当其他线程正在运行时，它可以暂时处于暂停状态（也称为休眠）——这称为 yielding。

Python 中的线程处理模块

Python 的标准库提供了两个用于管理线程的主要模块：_thread 和 threading。

_thread 模块

_thread 模块，也称为低级线程模块，自版本 2 以来一直是 Python 标准库的一部分。它为线程管理提供了一个基本的 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目的的简单锁（互斥锁）。

threading 模块

Python 2.4 中引入的 threading 模块基于 _thread 构建，以提供更高级别和更全面的线程 API。它提供了用于管理线程的强大工具，从而可以更轻松地在 Python 应用程序中使用线程。

threading 模块的主要特点

threading 模块公开了 thread 模块的所有方法，并提供了一些额外的方法 -

• threading.activeCount（） − 返回处于活动状态的线程对象数。
• threading.currentThread（） − 返回调用方的线程控件中的线程对象数。
• threading.enumerate（） − 返回当前处于活动状态的所有线程对象的列表。

除了方法之外，threading 模块还具有实现 threading 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 方法来启动线程。
• 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（） 方法设置线程的名称。

启动新线程

要在 Python 中创建和启动新线程，可以使用低级 _thread 模块或更高级别的 threading 模块。通常推荐使用 threading 模块，因为它具有附加功能和易用性。下面，您可以看到两种方法。

使用 _thread 模块启动新线程

_thread 模块的 start_new_thread（） 方法提供了一种创建和启动新线程的基本方法。此方法提供了一种在 Linux 和 Windows 中创建新线程的快速有效的方法。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，新线程开始执行具有给定参数的指定函数。当函数返回时，线程终止。

例

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） 调用可确保主程序在退出之前等待线程完成执行。

import _thread
import time

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

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

time.sleep(0.5)

执行上述代码时，它会产生以下结果 -

虽然对于低级线程非常有效，但 _thread 模块相比 threading 模块是有限的，threading 模块提供了更多的功能和更高级别的线程管理。

使用 Threading 模块启动新线程

threading 模块提供了 Thread 类，用于创建和管理线程。

以下是使用 threading 模块启动新线程的几个步骤 -

• 创建您希望线程执行的函数。
• 然后，通过传递目标函数及其参数，使用 Thread 类创建一个 Thread 对象。
• 对 Thread 对象调用 start 方法以开始执行。
• （可选）调用 join 方法以等待线程完成，然后再继续。

例

下面的示例演示如何使用 threading 模块创建和启动线程。它运行一个函数 print_name 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 = "qikepu..."

# 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")

执行上述代码时，它会产生以下结果 -

同步线程

Python 提供的 threading 模块包括一个易于实现的锁定机制，允许您同步线程。通过调用 Lock（） 方法创建新锁，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 blocking 参数使您能够控制线程是否等待获取锁。

如果 blocking 设置为 0，则线程将立即返回值 0（如果无法获取锁），如果获取锁，则返回 1。如果 blocking 设置为 1，则线程将阻塞并等待锁被释放。

新锁对象的 release（） 方法用于在不再需要锁时释放锁。

例

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")

执行上述代码时，它会产生以下结果 -

多线程优先级队列

Queue 模块允许您创建可以容纳特定数量项目的新队列对象。有以下方法可以控制 Queue -

• get（） − get（） 从队列中删除并返回一个项目。
• put（） − put 将项目添加到队列中。
• qsize（） − qsize（） 返回当前队列中的项目数。
• empty（） − 如果队列为空，则 empty（ ） 返回 True;否则为 False。
• full（） − 如果队列已满，则 full（） 返回 True;否则为 False。

例

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")

执行上述代码时，它会产生以下结果 -