十分钟带你了解 Python3 多线程核心知识

每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

每个线程都有他自己的一组CPU寄存器，称为线程的上下文，该上下文反映了线程上次运行该线程的CPU寄存器的状态。

指令指针和堆栈指针寄存器是线程上下文中两个最重要的寄存器，线程总是在进程得到上下文中运行的，这些地址都用于标志拥有线程的进程地址空间中的内存。

线程可以被抢占（中断）。
在其他线程正在运行时，线程可以暂时搁置（也称为睡眠） – 这就是线程的退让。
线程可以分为:

内核线程：由操作系统内核创建和撤销。
用户线程：不需要内核支持而在用户程序中实现的线程。
Python3 线程中常用的两个模块为：

_thread
threading(推荐使用)
函数式
调用 _thread 模块中的start_new_thread()函数来产生新线程。语法如下:

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

参数说明:

function - 线程函数。
args - 传递给线程函数的参数,他必须是个tuple类型。
kwargs - 可选参数。

import _thread, time

定义线程函数

def print_time(threadName, delay):
count = 0
while count < 5:
time.sleep(delay)
count += 1
# 返回当前时间的时间戳（1970纪元后经过的浮点秒数）, 并格式化输出
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:

让线程有足够的时间完成

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

类封装式
threading 模块除了包含 _thread 模块中的所有方法外，还提供的其他方法：

threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。
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。
线程模块同样提供了Thread类来处理线程，Thread类提供了以下方法:

run(): 用以表示线程活动的方法。
start():启动线程活动。
join([time]): 等待至线程中止。这阻塞调用线程直至线程的join() 方法被调用中止-正常退出或者抛出未处理的异常-或者是可选的超时发生。
isAlive(): 返回线程是否活动的。
getName(): 返回线程名。
setName(): 设置线程名。

import threading, time

创建进程类

class myThread(threading.Thread):

构造函数

def init(self, threadID, name, counter):
threading.Thread.init(self)
self.threadID = threadID
self.name = name
self.counter = counter

重写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

创建线程

thread1 = myThread(1001, “Thread-1”, 1)
thread2 = myThread(1002, “Thread-2”, 2)

开启线程

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 Strat：Thread-1
Thread Strat：Thread-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 Exit：Thread-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 Exit：Thread-2
Thread-1 is Alive? False
exit

不难发现，线程是通过start()函数激活，而不是对象建立时激活的！

线程同步
多线程的优势在于可以同时运行多个任务（至少感觉起来是这样）。但是当线程需要共享数据时，可能存在数据不同步的问题。

使用 Thread 对象的 Lock 和 Rlock 可以实现简单的线程同步，这两个对象都有 acquire 方法和 release 方法，对于那些需要每次只允许一个线程操作的数据，可以将其操作放到 acquire 和 release 方法之间。

import threading, time

创建锁

threadLock = threading.Lock()

创建线程列表

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)
# 获取锁，同步线程
threadLock.acquire()
print_time(self.name, self.counter, 3)
# 释放锁，开启下一个线程
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

创建线程

thread1 = myThread(1001, “Thread-1”, 1)
thread2 = myThread(1002, “Thread-2”, 2)

开启线程

thread1.start()
thread2.start()

添加线程列表

threads.append(thread1)
threads.append(thread2)

等待所有线程完成

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

线程优先级队列
Python 的 Queue 模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO队列Queue，LIFO队列LifoQueue，和优先级队列 PriorityQueue。

这些队列都实现了锁原语，能够在多线程中直接使用，可以使用队列来实现线程间的同步。

Queue 模块中的常用方法:

Queue.qsize() 返回队列的大小
Queue.empty() 如果队列为空，返回True,反之False
Queue.full() 如果队列满了，返回True,反之False
Queue.full 与 maxsize 大小对应
Queue.get([block[, timeout]])获取队列，timeout等待时间
Queue.get_nowait() 相当Queue.get(False)
Queue.put(item) 写入队列，timeout等待时间
Queue.put_nowait(item) 相当Queue.put(item, False)
Queue.task_done() 在完成一项工作之后，Queue.task_done()函数向任务已经完成的队列发送一个信号
Queue.join() 实际上意味着等到队列为空，再执行别的操作

import queue, threading, time

exitFlag = 0

创建锁

queueLock = threading.Lock()

创建队列

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

创建新线程

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

填充队列

queueLock.acquire()
print(“队列填充中>>>>>>>>>>>>>>”)
time.sleep(1)
for word in nameList:
workQueue.put(word)
print(“队列填充完毕>>>>>>>>>>>>>>”)
queueLock.release()

等待队列清空

while not workQueue.empty():
pass

通知线程退出

exitFlag = 1

等待所有线程完成

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
队列填充中>>>>>>>>>>>>>>
队列填充完毕>>>>>>>>>>>>>>
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

源码中其实实现了三个进程读取同一个队列，按照先进先出原则实现锁定。

用start方法来启动线程，真正实现了多线程运行，这时无需等待run方法体代码执行完毕而直接继续执行下面的代码。通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程，这时此线程处于就绪（可运行）状态，并没有运行，一旦得到cpu时间片，就开始执行run()方法，这里方法 run()称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容，Run方法运行结束，此线程随即终止。

join的作用是保证当前线程执行完成后，再执行其它线程。join可以有timeout参数，表示阻塞其它线程timeout秒后，不再阻塞。。一般线程的start()之后，所有操作结束后都要进行thread.join()。确保语句的输出是join()后面的程序是等线程结束后再执行的。

作者：Eappo_Geng
来源：https://my.oschina.net/gain/blog/1794659