Python线程之threading

线程是属于进程的，线程运行在进程空间内，同一进程所产生的线程共享同一内存空间，当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位，每一个进程中至少有一个线程，线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源，但是其本身基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。

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Threading模块提供线程相关的操作，Threading模块包含Thread，Lock，RLock，Event，Queue等组件；multiprocess模块完全模仿了threading模块的接口，二者在使用时，时极其相似的。

1、Thread

创建线程的两种方式：

示例1：

import time
from threading import Thread

def func(i):
    time.sleep(1)
    print("hello : %s"%i)

thread_l = []

# 开启多线程
for i in range(10):
    t = Thread(target=func,args=(i,)) #实例化线程对象
    t.start()  # 激活线程
    thread_l.append(t)

# 异步开启阻塞
for j in thread_l:
    j.join()  # 阻塞主线程，子线程执行完毕之后向下执行主线程代码

print("主线程")

结果：

hello : 2
hello : 0
hello : 1
hello : 3
hello : 5
hello : 4
hello : 7hello : 6hello : 9

hello : 8
主线程

示例2：使用类继承的方式创建线程

import time
from threading import Thread

class MyThread(Thread): # 继承Thread类
    count = 0   # 子线程间会共享此静态属性
    def __init__(self,arg1,arg2): # 通过init方法传递参数
        super().__init__()
        self.arg1 = arg1
        self.arg2 = arg2

    def run(self):  # 必须实现run方法
        MyThread.count += 1
        time.sleep(1)
        print("%s，hello！%s"%(self.arg1,self.arg2))

thread_l = []
for i in range(10):
    t = MyThread('eric','jonny')
    t.start()
    thread_l.append(t)
for j in thread_l:
    j.join()
print("conut: %s"%MyThread.count)

结果：
1，hello！jonny
0，hello！jonny
5，hello！jonny4，hello！jonny
3，hello！jonny
2，hello！jonny

6，hello！jonny9，hello！jonny

7，hello！jonny
8，hello！jonny
conut: 10

Thread的主要方法：

t.start() ：激活线程
t.join()：阻塞(等待子线程执行完毕，在向下执行)，在每次激活线程后阻塞会使线程变为同步，所以要在线程激活完毕之后阻塞。
t.name ：设置或获取线程名
t.getName()：获取线程名
t.setName(NAME)：设置线程名
t.is_alive() ：判断线程是否激活
t.setDaemon() ：设置守护线程，在激活线程之前设置，默认值为False
t.isDaemon() ： 判断是否为守护线程

2、Lock与RLock

同一个进程内的线程是数据共享的，线程的GIL（全局解释性）锁是锁的线程调用CPU的时间，在第一个线程调用CPU操作共享数据的时候，时间轮转至第二个线程，第二个线程也要操作共享数据，这样就导致了数据的不一致，这是因为GIL不锁数据，这种情况下，线程锁的出现就能解决这个这个问题。
示例1：GIL锁发挥作用

from threading import Thread

def func():
    global n
    n -= 1

n = 1000

thread_l = []
for i in range(100):
    t = Thread(target=func)
    t.start()
    thread_l.append(t)

for j in thread_l:
    j.join()

print(n)
结果是：900

示例2：时间片轮转，GIL锁失效

import time
from threading import Thread

def func():
    global n
    # n -= 1
    temp = n  # 从进程中获取n
    time.sleep(0.01)  # 每个线程调用CPU的时间是很短的，制造时间片轮转的效果
    n = temp -1  # 得到结果，再将修改过的数据返回给进程

n = 1000

thread_l = []
for i in range(100):
    t = Thread(target=func)
    t.start()
    thread_l.append(t)

for j in thread_l:
    j.join()

print(n)
结果是：998

示例3：互斥锁Lock，对数据加锁

import time
from threading import Thread
from threading import Lock

def func():
    global n
    # n -= 1
    lock.acquire()   # 上锁
    temp = n  # 从进程中获取n
    time.sleep(0.01)  # 每个线程调用CPU的时间是很短的，制造时间片轮转的效果
    n = temp -1  # 得到结果，再将修改过的数据返回给进程
    lock.release()   # 释放

n = 1000
lock = Lock()  # 实例化锁对象
thread_l = []
for i in range(100):
    t = Thread(target=func)
    t.start()
    thread_l.append(t)

for j in thread_l:
    j.join()

print(n)
结果是：900

互斥锁Lock后使数据一致，具有安全性，但是也带来了新的问题，因为锁的缘故，每一个线程都是串行的拿到锁，在释放；整个程序运行变成串行，效率降低。

示例4：递归锁Rlock
Lock在同一线程中只能被acquire一次，下一次的acquire必须等待release之后才可以；而RLock允许在同一线程中被多次acquire，但是acquire和release必须是成对存在。

from threading import Lock
from threading import RLock

lock = Lock() # 实例化出互斥锁对象
lock.acquire()
lock.acquire() # 在第二次acquire时，程序阻塞等待release之后拿到锁
print("死锁")
lock.release()
lock.release()

lock1 = RLock() # 实例化出递归锁对象
lock1.acquire()
lock1.acquire() # 可被多次acquire
print("running")
lock1.release()
lock1.release() # acquire与release成对出现

在多线程并发的情况下，同一个线程中，如果出现多次acquire，就可能发生死锁现象，使用RLock就不会出现死锁问题

3、Semaphore

线程的信号量与进程的信号量使用基本一致；信号量可以允许指定数量的线程操作上锁的数据，即一把锁有多个钥匙。对与有信号量限制的程序来说，信号量有几个任务就开启几个线程，在加锁阶段会限制程序运行数量，并不影响其它代码的并发。
示例：

import random
import time
from threading import Semaphore
from threading import Thread

def sing(i,sem):
    sem.acquire() # 加锁
    print('%s enter the ktv'%i)
    time.sleep(random.randint(1,10))
    print('%s leave the ktv'%i)
    sem.release() # 释放

sem = Semaphore(4)
for i in range(20):
    t = Thread(target=sing, args=(i, sem))
    t.start()

4、Event

事件：线程之间状态标记通信，使用方法与进程的基本一致
主要方法：
e = Event() # 实例化一个事件对象
e.set() # 标记变为非阻塞
e.wait() # 默认标记为阻塞,在等待的过程中，遇到非阻塞信号就继续执行
e.clear() # 标记变为阻塞
e.is_set() # 是否阻塞 True就是非阻塞，False是阻塞

示例：连接数据库

'''
连接数据库
每0.5秒连一次，连接三次
用事件来标志数据库的连接情况
如果连接成功，显示成功
否则报错
'''

import time
import random
from threading import Thread
from threading import Event

# 模拟检查连接，检查连接成功使事件标志位为非阻塞
def check_conn():
    time.sleep(random.randint(1,3))
    e.set()

# 在还没检查成功前等待，接到非阻塞信号则连接数据库
def conn_MySQL():
    count = 1
    while not e.is_set():
        if count > 3:
            raise TimeoutError

        print("尝试第 %s 次连接" % count)
        count += 1
        e.wait(0.5)
    print("连接成功")

e = Event()  # 实例化事件对象

Thread(target=check_conn).start()
Thread(target=conn_mysql).start()

5、Timer

定时器：定时开启一个线程，执行一个任务
示例：

from threading import Timer

def func():
    print("hello")

'''
必须有两个参数
第一个是时间，单位为秒
第二个是要执行的函数
'''
Timer(1,func).start()

6、Condition

条件变量：条件包含递归锁RLock和事件Event中的wait()方法的功能。
五个方法：
acquire(): 递归锁
release(): 释放锁
wait(timeout): 等待通知，或者等到设定的超时时间；才会被唤醒继续运行。wait()必须在已获得Lock前提下才能调用，否则会触发RuntimeError异常。
notify(n=1): 通知其他线程，传入的参数必须时int类型的，那些挂起的线程接到这个通知之后会开始运行，默认是通知一个正等待该condition的线程,最多则唤醒n个等待的线程。notify()必须在已获得Lock前提下才能调用，否则会触发RuntimeError。notify()不会主动释放Lock。
notifyAll(): 如果wait状态线程比较多，notifyAll的作用就是通知所有线程

示例：

from threading import Condition
from threading import Thread

def run(n):
    con.acquire()
    con.wait()
    print("run the thread: %s"%n)
    con.release()

if __name__ == '__main__':
    con = Condition()
    for i in range(10):
        t = Thread(target=run,args=(i,))
        t.start()

    while True:
        msg = input(">>> ")
        if msg == 'q':
            break
        con.acquire() # 递归锁
        if msg == 'all':
            con.notify_all()     # 放行所有线程
        else:
            con.notify(int(msg)) # 传递信号，放行线程，参数是int类型的
        con.release() # 释放锁

7、Queue模块

queue模块就是线程的队列，它是数据安全的。
主要方法：
q.put(1) # 将传入的数据放入队列
q.get() # 根据对象所属类的不同，取出队列中的数据
q.join() # 等队列为空时，在执行别的操作
q.qsize() # 返回队列的大小，不一定准确
q.empty() # 队列为空时，返回True，否则返回False，不一定准确
q.full() # 队列满时，返回True，否则返回False，不一定准确

Queue类的使用：先进先出

import queue

q = queue.Queue()  # 实例化一个队列对象，可给出队列长度，先进先出
q.put(1)           # 将传入的数据放入队列
q.put(2)
print(q.get())     # 先进先出，取出队列的第一个值

LifoQueue类的主要方法：后进先出

import queue

lfq = queue.LifoQueue() # 实例化一个对象，可给出长度，后进先出
lfq.put(1)
lfq.put(2)
print(lfq.get()) #后进先出，取出2

PriorityQueue类的主要方法：优先级
import queue

pq = queue.PriorityQueue()  # 实例化一个队列对象，优先级队列，优先级值越小越优先
pq.put((10,'a'))
pq.put((5,'b'))
pq.put((1,'c'))
pq.put((15,'d'))

for i in range(4):
    print(pq.get())
结果：
(1, 'c')
(5, 'b')
(10, 'a')
(15, 'd')

8、concurrent模块之futures

concurrent是用来操作池的模块，这个模块可创建进程池和线程池，其使用方法完全一致，统一了入口和方法，使用池更便捷，且python内置，导入便可使用。

主要方法：
submit(FUNC,ARGS)：创建线程对象和激活线程，FUNC是要执行的任务，ARGS是参数
shutdown()：shutdown方法封装了close和join方法，调用该方法时，不能在忘池中添加任务，且要等待池中任务执行结束
result()：result方法取线程执行的函数返回值
map(FUNC,iter)：map方法异步执行，需传入要执行的任务FUNC，以及一个可迭代对象iter，map方法无返回值
add_done_callback(call)：回调函数

示例1：

import time
import random
from concurrent import futures

def func(n):
    time.sleep(random.randint(1,3))
    print(n)
    return n*"*"

thread_pool = futures.ThreadPoolExecutor(20)  # 实例化一个线程池对象，一般开启CPU核数*5
f_l = []
for i in range(10):
    t = thread_pool.submit(func,i)    # submit方法合并了创建线程对象和激活线程的功能
    f_l.append(t)
thread_pool.shutdown()    # shutdown方法封装了close和join方法，调用该方法时，不能在忘池中添加任务，且要等待池中任务执行结束

for j in f_l:
    print(j.result())   # result方法取线程执行的函数返回值

示例2：回调

from concurrent import futures

def func(n):
    print(n)
    return n*"*"

def call(args):
    print(args.result())

thread_pool = futures.ThreadPoolExecutor(20)
thread_pool.submit(func,1).add_done_callback(call)