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• 線程
• 多線程

讓我們首先了解計算機體系結構中線程的概念。

線程

在計算中，進程是正在執行的計算機程序的實例。任何過程都有 3 個基本組件：

• 可執行程序。
• 程序所需的關聯數據（變量、工作空間、緩沖區等）
• 程序的執行上下文（進程狀態）

線程是進程中可以安排執行的實體。此外，它是可以在操作系統（操作系統）中執行的最小處理單元。

簡單來說，線程是程序中可以獨立於其他代碼執行的此類指令序列。為簡單起見，您可以假設線程只是進程的子集！

線程在線程控制塊 （TCB） 中包含所有這些信息：

• 線程標識符： 將唯一 ID （TID） 分配給每個新線程
• 堆棧指針： 指向進程中的線程堆棧。堆棧包含線程作用域下的局部變量。
• 程序計數器： 存儲線程當前正在執行的指令地址的寄存器。
• 線程狀態： 可以是正在運行、就緒、等待、啟動或完成。
• 線程的寄存器集： 分配給線程進行計算的寄存器。
• 父進程指針： 指向線程所在的進程的過程控制塊 （PCB） 的指針。

請參考下圖以了解進程與其線程之間的關系：

多線程

一個進程中可以存在多個線程，其中：

• 每個線程都包含自己的寄存器集和局部變量（存儲在堆棧中）。
• 進程的所有線程共享全局變量（存儲在堆中） 和程序代碼。

請參考下圖以了解內存中如何存在多個線程：

在Python中，線程模塊提供了一個非常簡單直觀的API，用於在程序中生成多個線程。

讓我們考慮一個使用線程模塊的簡單示例：

import threading
def print_cube(num):
"""用於打印給定數字的多維數據集的函數"""
print("Cube: {}".format(num * num * num))
def print_square(num):
"""函數打印給定數值的平方"""
print("Square: {}".format(num * num))
if __name__ == "__main__":
# 創建線程
t1 = threading.Thread(target=print_square, args=(10,))
t2 = threading.Thread(target=print_cube, args=(10,))
# 啟動線程1
t1.start()
# 啟動線程2
t2.start()
# 等待線程1完全執行
t1.join()
# 等待線程2完全執行
t2.join()
# 兩個線程都已完全執行
print("Done!")

運行結果：

讓我們試著理解上面的代碼：

• 要導入線程模塊，我們需要：

  import threading
  

• 要創建一個新線程，我們創建一個 Thread 類的對象。它需要以下參數：

  • 目標：線程要執行的函數
  • args：要傳遞給目標函數的參數

  在上面的例子中，我們創建了2個具有不同目標函數的線程：

  t1 = threading.Thread(target=print_square, args=(10,))
  t2 = threading.Thread(target=print_cube, args=(10,))
  

• 要啟動線程，我們使用 Thread 類的 start 方法。

  t1.start()
  t2.start()
  

• 一旦線程啟動，當前程序（你可以把它想象成一個主線程）也會繼續執行。為了停止當前程序的執行，直到線程完成，我們使用連接方法。

  t1.join()
  t2.join()
  

  因此，當前程序將首先等待 t1 的完成，然後等待 t2 完成。完成後，將執行當前程序的其餘語句。

考慮下圖，以更好地了解上述程序的工作原理：

考慮下面給出的python程序，其中我們為每個任務打印線程名稱和相應的進程：

import threading
import os
def task1():
print("任務1分配給線程: {}".format(threading.current_thread().name))
print("運行任務1的進程ID: {}".format(os.getpid()))
def task2():
print("任務2分配給線程: {}".format(threading.current_thread().name))
print("運行任務2的進程ID: {}".format(os.getpid()))
if __name__ == "__main__":
# 打印當前進程的ID
print("運行主程序的進程ID: {}".format(os.getpid()))
# 打印主線程名稱
print("主線程名稱: {}".format(threading.current_thread().name))
# 創建線程
t1 = threading.Thread(target=task1, name='t1')
t2 = threading.Thread(target=task2, name='t2')
# 啟動線程
t1.start()
t2.start()
# 等待所有線程完成
t1.join()
t2.join()

運行結果：

讓我們試著理解上面的代碼：

• 我們使用 os.getpid（） 函數來獲取當前進程的 ID。

  print("運行主程序的進程ID: {}".format(os.getpid()))
  

  從輸出中可以清楚地看出，所有線程的進程 ID 都保持不變。

• 我們使用threading.main_thread（） 函數來獲取主線程對象。在正常情況下，主線程是啟動Python解釋器的線程。線程對象的 name 屬性用於獲取線程的名稱。

  print("主線程名稱: {}".format(threading.main_thread().name))
  

• 我們使用 threading.current_thread（） 函數來獲取當前線程對象。

  print("任務1分配的線程: {}".format(threading.current_thread().name))
  

下圖闡明了上述概念：