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python + threading模塊多線程學習

編輯：Python

python 多線程

Python 線程threading
- Python多線程適用於I/O密集型
- Python多線程的工作過程
- 構造函數
- 線程函數
- - start()
  - join(timeout=None)
- 創建線程
- 線程加鎖
- 5種線程鎖
- join函數
- - 第一種：Python多線程默認情況（非守護線程）
  - 第二種：守護線程
  - 第三種：加入join方法設置同步（非守護線程，且join不設置超時）
  - 第四種：加入join方法設置同步（非守護線程，join設置超時）
  - 第五種：加入join方法設置同步（*守護線程*，join設置超時）

Python 線程threading

Python多線程適用於I/O密集型

GIL的全稱是Global Interpreter Lock(全局解釋器鎖)，為了數據安全，GIL保證同一時間只能有一個線程拿到數據。所以，在python中，同時只能執行一個線程。

而IO密集型，多線程能夠有效提升效率( 單線程下有IO操作會進行IO等待，造成不必要的時間浪費，而開啟多線程能在線程A等待時，自動切換到線程B，可以不浪費CPU的資源，從而能提升程序執行效率 )。所以python多線程對IO密集型代碼比較友好。

而CPU密集型( 各種循環處理、計算等等 )，由於計算工作多，計時器很快就會達到阈值，然後觸發GIL的釋放與再競爭（多個線程來回切換當然是需要消耗資源的），所以python多線程對CPU密集型代碼並不友好。

Python多線程的工作過程

Python在使用多線程的時候，調用的是c語言的原生線程。

拿到公共數據
申請GIL（全局解釋器鎖）
python解釋器調用os原生線程
os操作cpu執行運算
當該線程執行時間到後，無論運算是否已經執行完，GIL都被要求釋放
由其他進程重復上面的過程
等其他進程執行完後，又會切換到之前的線程（從他記錄的上下文繼續執行），整個過程是每個線程執行自己的運算，當執行時間到就進行切換（context switch）。

筆記：有些沒看懂？

構造函數

threading.Thread(group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}, *, daemon=None)

調用這個構造函數時，必需帶有關鍵字參數。參數如下：

group 應該為 None；為了日後擴展 ThreadGroup 類實現而保留。
target 是用於 run() 方法調用的可調用對象(一個函數)。默認是 None，表示不需要調用任何方法。
name 是線程名稱。默認情況下，由 “Thread-N” 格式構成一個唯一的名稱，其中 N 是小的十進制數。多個線程可以賦予相同的名稱。
args 是用於調用目標函數的參數元組。默認是 ()。
kwargs 是用於調用目標函數的關鍵字參數字典。默認是 {}。
daemon 參數如果不是 None，將顯式地設置該線程是否為守護模式。如果是 None (默認值)，線程將繼承當前線程的守護模式屬性。
3.3 版及以上才具有該屬性。
注意：一定要在調用 start() 前設置好，不然會拋出 RuntimeError 。
初始值繼承於創建線程；主線程不是守護線程，因此主線程創建的所有線程默認都是 daemon = False。
當沒有存活的非守護線程時，整個Python程序才會退出。
如果子類型**重載了構造函數，**它一定要確保在做任何事前，先發起調用基類構造器(Thread.init())。

名詞解釋：守護模式

有一種線程，它是在後台運行的，它的任務是為其他線程提供服務，這種線程被稱為“後台線程（Daemon Thread）”，又稱為“守護線程”或“精靈線程”。Python 解釋器的垃圾回收線程就是典型的後台線程。
後台線程有一個特征，如果所有的前台線程都死亡了，那麼後台線程會自動死亡。

線程函數

start()

開始線程活動。

它在一個線程裡最多只能被調用一次。它安排對象的 run() 方法在一個獨立的控制進程中調用。

如果同一個線程對象中調用這個方法的次數大於一次，會拋出 RuntimeError 。

join(timeout=None)

等待，直到線程終結。

這會阻塞調用這個方法的線程，直到被調用 join() 的線程終結。

不管是正常終結
還是拋出未處理異常
或者直到發生超時，超時選項是可選的。

當 timeout 參數存在而且不是 None 時，它應該是一個用於指定操作超時的以秒為單位的浮點數（或者分數）。
因為 join() 總是返回 None ，所以你一定要在 join() 後調用is_alive()才能判斷是否發生超時 ，如果線程仍然存活，則 join() 超時。

當 timeout 參數不存在或者是 None ，這個操作會阻塞直到線程終結。

一個線程可以被 join() 很多次。

如果嘗試加入當前線程會導致死鎖， join() 會引起 RuntimeError 異常。
如果嘗試 join() 一個尚未開始的線程，也會拋出相同的異常。

創建線程

import threading # 線程模塊
import time
def run(n):
print("task", n)
time.sleep(1)
print('2s')
time.sleep(1)
print('3s')
if __name__ == '__main__':
th = threading.Thread(target=run,name="thread_1" args=("thread 1",), daemon=True) # 創建線程
# 把子進程設置為守護線程，**必須在start()之前設置
th.setDaemon(True) # 設置守護線程，其實在創建時已經 設置了 daemon=True
th.start()
# 設置主線程等待子線程結束
th.join()
print("end")

線程加鎖

由於線程之間是進行隨機調度，並且每個線程可能只執行n條執行之後，當多個線程同時修改同一條數據時可能會出現髒數據（筆記：Python基礎數據類型、列表、元組、字典都是線程安全的，因此不會導致程序崩潰，但會導致數據出現未知值，即髒數據），

所以出現了線程鎖，即同一時刻允許一個線程執行操作。線程鎖用於鎖定資源，可以定義多個鎖，像下面的代碼，當需要獨占某一個資源時，任何一個鎖都可以鎖定這個資源，就好比你用不同的鎖都可以把這個相同的門鎖住一樣。

由於線程之間是進行隨機調度的，如果有多個線程同時操作一個對象，並且沒有很好地保護該對象，會造成程序結果的不可預期，我們因此也稱為“線程不安全”。
為了防止上面情況的發生，就出現了鎖。

5種線程鎖

同步鎖
遞歸鎖
條件鎖
事件鎖
信號量鎖

我在5種Python線程鎖中有詳細講述。

join函數

概念補充：

在Python多線程編程中，join方法的作用是線程同步
守護線程，是為守護別人而存在，當設置為守護線程後，被守護的主線程不存在後，守護線程也自然不存在

以下分5種不同的形式解釋join在多線程編程中的用處

第一種：Python多線程默認情況（非守護線程）

Python多線程的默認情況（設置線程setDaemon(False)），主線程執行完自己的任務以後，就退出了，此時子線程會繼續執行自己的任務，直到自己的任務結束

筆記：setDaemon(False) 即該線程被設置為非守護線程；主程序退出後，子線程不會自動退出。

import threading, time
def doWaiting1():
print('start waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(3)
print("線程1奉命報道")
print('stop waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
def doWaiting2():
print('start waiting2: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(8)
print("線程2奉命報道")
print('stop waiting2: ', time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
tsk = [] # 線程列表
# 創建並開啟線程1
thread1 = threading.Thread(target = doWaiting1)
thread1.start() # start()函數 實際調用 RUN()函數(Python調用的是 C語言的線程)
tsk.append(thread1)
# 創建並開啟線程2
thread2 = threading.Thread(target = doWaiting2)
thread2.start()
tsk.append(thread2)
# 計時程序
print('start join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )
print('end join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )

運行結果

start waiting1: 20:03:30
start waiting2: 20:03:30
start join: 20:03:30
end join: 20:03:30 # 此處主線程已經結束，而子線程還在繼續工作
線程1奉命報道 # 子線程1 繼續在工作
stop waiting1: 20:03:33
線程2奉命報道
stop waiting2: 20:03:38

結論：

計時程序屬於主線程，整個主線程在開啟線程1和線程2後，進入計時模塊，主線程結束
主線程結束，但並沒有影響線程1和線程2的運行，故後面線程1和線程2仍然跑來報道，至此整個程序才完全結束

第二種：守護線程

開啟線程的**setDaemon(True)，**設置子線程為守護線程，實現主程序結束，子程序立馬全部結束功能

import threading, time
def doWaiting1():
print('start waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(3)
print("線程1奉命報道")
print('stop waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
def doWaiting2():
print('start waiting2: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(8)
print("線程2奉命報道")
print('stop waiting2: ', time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
tsk = []
# 創建並開啟線程1
thread1 = threading.Thread(target = doWaiting1)
thread1.setDaemon(True)
thread1.start()
tsk.append(thread1)
# 創建並開啟線程2
thread2 = threading.Thread(target = doWaiting2)
thread2.setDaemon(True)
thread2.start()
tsk.append(thread2)
print('start join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )
print('end join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )

運行結果：

start waiting1: 20:10:04
start waiting2: 20:10:04
start join: 20:10:04
end join: 20:10:04 # 主線程結束後，子線程立刻結束，無論處於什麼狀態。

結論：

主線程結束後，無論子線程1,2是否運行完成，都結束不再往下繼續運行

第三種：加入join方法設置同步（非守護線程，且join不設置超時）

非守護線程，主程序將一直等待子程序全部運行完成才結束

import threading, time
def doWaiting1():
print('start waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(3)
print("線程1奉命報道")
print('stop waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
def doWaiting2():
print('start waiting2: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(8)
print("線程2奉命報道")
print('stop waiting2: ', time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
tsk = []
# 創建並開啟線程1
thread1 = threading.Thread(target = doWaiting1)
thread1.start()
tsk.append(thread1)
# 創建並開啟線程2
thread2 = threading.Thread(target = doWaiting2)
thread2.start()
tsk.append(thread2)
print('start join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )
for t in tsk:
print('%s線程到了'%t)
t.join() # 線程join() 即：兩個線程再次回合，全部完成後才能繼續進行下一行
print('end join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )

運行結果：

start waiting1: 20:14:35
start waiting2: 20:14:35
start join: 20:14:35
<Thread(Thread-1, started 19648)>線程到了
線程1奉命報道
stop waiting1: 20:14:38
<Thread(Thread-2, started 24056)>線程到了
線程2奉命報道
stop waiting2: 20:14:43
end join: 20:14:43 # 兩個線程執行完畢後，才能運行至此

結論：

使用join函數，主線程將被阻塞(即：主線程，指定是創建子線程的線程)，一直等待被使用了join方法的線程運行完成
start join 是在35秒，stop waiting1在38秒，剛好sleep了3秒，stop waiting2是43秒，剛好sleep了8秒，這也說明，線程1和2是基本同時運行的，但由於執行所消耗的時間不一致，所以阻塞所用的時間也是不一樣的，最終end join時間是最後線程運行完，整個程序就中止在43秒
將所有的線程放入一個列表，通過循環對列表中的所有線程使用join方法判斷，也是為了保證全部子線程都能全部運行完成，主線程才退出

第四種：加入join方法設置同步（非守護線程，join設置超時）

給join設置timeout數值，判斷等待多後子線程還沒有完成，則主線程不再等待

筆記：join設置超時後，判斷依據為子線程執行完畢 | 超時（邏輯或的關系），即兩個條件誰先為真，就向下執行。

import threading, time
def doWaiting1():
print('start waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(2)
print("線程1奉命報道")
print('stop waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
def doWaiting2():
print('start waiting2: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(8)
print("線程2奉命報道")
print('stop waiting2: ', time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
tsk = []
# 創建並開啟線程1
thread1 = threading.Thread(target = doWaiting1)
thread1.start()
tsk.append(thread1)
# 創建並開啟線程2
thread2 = threading.Thread(target = doWaiting2)
thread2.start()
tsk.append(thread2)
print('start join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )
for t in tsk:
print("開始:"+time.strftime('%H:%M:%S'))
print('%s線程到了'%t)
t.join(5)
print("結束:" + time.strftime('%H:%M:%S'))
print('end join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )

運行結果：

start waiting1: 21:14:25
start waiting2: 21:14:25
start join: 21:14:25
開始:21:14:25
<Thread(Thread-1, started 22348)>線程到了
線程1奉命報道
stop waiting1: 21:14:27
結束:21:14:27
開始:21:14:27
<Thread(Thread-2, started 13164)>線程到了
結束:21:14:32
end join: 21:14:32
線程2奉命報道
stop waiting2: 21:14:33

結論：

給join設置等待時間後，超過了等待時間後，主線程終止，但不影響子線程繼續運行，等子線程全部運行完畢整個程序終止
所有線程可能出現的最大等待時間 timeout_total ≤ timeout * 線程數量
雖然timeout設置的是5s，但是線程1只需要2s，所以循環從開始到結束，只需消耗2s（21:14:27 - 21:14:25），到此循環就進入第二次，第二次等待仍可以分配5s（21:14:32 - 21:14:27），所以兩次總共的等待是時間2+5=7s，但是線程2運行所需要時間是8s，而且8s是從21:14:25開始的，結束時間是21:14:33，因為join等待時間完了主程序結束了，但不影響線程2繼續運行，所以在end join後，線程2仍然輸出了報道結果（是因為沒有開啟守護線程）
個別文章解釋join這個時間為：主線程會等待多個線程的timeout累加和，這個說法不准確，由3的推理可以得出，並非會一定等待“線程數* timeout”這麼多時間，而是≤“線程數*timeout”，

第五種：加入join方法設置同步（守護線程，join設置超時）

超時且未處理完畢的子線程將被直接終止（符合守護線程的特性）

import threading, time
def doWaiting1():
print('start waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(2)
print("線程1奉命報道")
print('stop waiting1: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
def doWaiting2():
print('start waiting2: ' + time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
time.sleep(8)
print("線程2奉命報道")
print('stop waiting2: ', time.strftime('%H:%M:%S') + "\n")
tsk = []
# 創建並開啟線程1
thread1 = threading.Thread(target = doWaiting1)
thread1.setDaemon(True) # 守護線程
thread1.start()
tsk.append(thread1)
# 創建並開啟線程2
thread2 = threading.Thread(target = doWaiting2)
thread2.setDaemon(True) # 守護線程
thread2.start()
tsk.append(thread2)
print('start join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )
for t in tsk:
print("開始:"+time.strftime('%H:%M:%S'))
print('%s線程到了'%t)
t.join(5)
print("結束:" + time.strftime('%H:%M:%S'))
print('end join: ' + time.strftime('%H:%M:%S') )

運行結果：

start waiting1: 21:24:14
start waiting2: 21:24:14
start join: 21:24:14
開始:21:24:14
<Thread(Thread-1, started daemon 9060)>線程到了
線程1奉命報道
stop waiting1: 21:24:16
結束:21:24:16
開始:21:24:16
<Thread(Thread-2, started daemon 13912)>線程到了
結束:21:24:21
end join: 21:24:21

結論：