3.进程与线程

1.进程

1.1定义

程序并不能单独运行，只有将程序装载到内存中，系统为它分配资源才能运行，而这种执行的程序就称之为进程。

程序和进程的区别就在于：程序是指令的集合，它是进程运行的静态描述文本；进程是程序的一次执行活动，属于动态概念。

在多道编程中，我们允许多个程序同时加载到内存中，在操作系统的调度下，可以实现并发地执行。这是这样的设计，大大提高了CPU的利用率。

进程的出现让每个用户感觉到自己独享CPU，因此，进程就是为了在CPU上实现多道编程而提出的。

1.2优点

进程有很多优点，它提供了多道编程，让我们感觉我们每个人都拥有自己的CPU和其他资源，可以提高计算机的利用率。

进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。

但是也有缺陷：

• 进程只能在一个时间干一件事，如果想同时干两件事或多件事，进程就无能为力了。

• 进程在执行的过程中如果阻塞，例如等待输入，整个进程就会挂起，即使进程中有些工作不依赖于输入的数据，也将无法执行。

2.线程

2.1定义

线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,

只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

3.应用

3.1区别

进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。进程有独立的地址空间，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

1) 简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.

2) 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。

3) 另外，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。

4) 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。

3.2 Python里的线程（threading模块） 

线程调用的方法2种：

函数调用

import threading, time


def fun(name):  # 定义每个线程要运行的函数

    print("%s running on fun" % name)

    time.sleep(2)


if __name__ == '__main__':  # 要运行的主程序，window下一定要写，作为导入模块时不执行后面的代码

    t1 = threading.Thread(target=fun, args=(1,))  # 生成一个线程实例
    t2 = threading.Thread(target=fun, args=(2,))  # 生成另一个线程实例

    t1.start()  # 启动线程
    t2.start()  # 启动另一个线程

    print(t1.getName())  # 获取线程名
    print(t2.getName())

类调用

import threading, time

class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, name):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.name = name   
    def fun(self):  # 定义每个线程要运行的函数 
        print("%s running on fun" % self.name)      
        time.sleep(2)

if __name__ == '__main__':
    t1 = MyThread(1)
    t2 = MyThread(2)
    t1.start()
    t2.start()

join与Daemon

几个事实

1 python 默认参数创建线程后，不管主线程是否执行完毕，都会等待子线程执行完毕才一起退出，有无join结果一样

2 如果创建线程，并且设置了daemon为true，即thread.setDaemon(True), 则主线程执行完毕后自动退出，不会等待子线程的执行结果。而且随着主线程退出，子线程也消亡。

3 join方法的作用是阻塞，等待子线程结束，join方法有一个参数是timeout，即如果主线程等待timeout，子线程还没有结束，则主线程强制结束子线程。

4 如果线程daemon属性为False， 则join里的timeout参数无效。主线程会一直等待子线程结束。

import time
import threading
 
def run(n):
    print('[%s]------running----
' % n)
    time.sleep(2)
    print('--done--')
 
def main():
    for i in range(5):
        t = threading.Thread(target=run,args=[i,])
        t.start()
        t.join(1)
        print('starting thread', t.getName())
 
 
m = threading.Thread(target=main,args=[])
m.setDaemon(True) #将main线程设置为Daemon线程,它做为程序主线程的守护线程,当主线程退出时,m线程也会退出,由m启动的其它子线程会同时退出,不管是否执行完任务
m.start()
m.join(timeout=2)  #主线程等待子线程时间
print("---main thread done----")

线程锁（互斥锁） 

多个线程共享父进程的内存空间，也就意味着每个线程可以访问同一份数据。没有控制多个线程对同一资源的访问，对数据造成破坏，使得线程运行的结果不可预期，这种现象称为“线程不安全”。最简单的同步机制是引入互斥锁。互斥锁为资源引入一个状态：锁定/非锁定。某个线程要更改共享数据时，先将其锁定，此时资源的状态为“锁定”，其他线程不能更改；直到该线程释放资源，将资源的状态变成“非锁定”，其他的线程才能再次锁定该资源。互斥锁保证了每次只有一个线程进行写入操作，从而保证了多线程情况下数据的正确性。

threading模块中定义了Lock类，可以方便的处理锁定：

#创建锁
mutex = threading.Lock()
#锁定
mutex.acquire([timeout])
#释放
mutex.release()

其中，锁定方法acquire可以有一个超时时间的可选参数timeout。如果设定了timeout，则在超时后通过返回值可以判断是否得到了锁，从而可以进行一些其他的处理。

import threading
import time

class MyThread(threading.Thread):
    def run(self):
        global num 
        time.sleep(1)

        if mutex.acquire(1):  
            num = num+1
            msg = self.name+' set num to '+str(num)
            print msg
            mutex.release()
num = 0
mutex = threading.Lock()
def test():
    for i in range(5):
        t = MyThread()
        t.start()
if __name__ == '__main__':
    test()

 semaphore(信号量)

semaphore是一个内置的计数器

每当调用acquire()时，内置计数器-1
每当调用release()时，内置计数器+1

计数器不能小于0，当计数器为0时，acquire()将阻塞线程直到其他线程调用release()。

import time
import threading

s1=threading.Semaphore(5)   #添加一个计数器

def foo():
    s1.acquire()    #计数器获得锁
    time.sleep(2)   #程序休眠2秒
    print("ok",time.ctime())
    s1.release()    #计数器释放锁


for i in range(20):
    t1=threading.Thread(target=foo,args=()) #创建线程
    t1.start()  #启动线程 

Event方法

通过Event来实现两个或多个线程间的交互

事件处理的机制：全局定义了一个“Flag”，如果“Flag”值为 False，那么当程序执行 event.wait 方法时就会阻塞，如果“Flag”值为True，那么event.wait 方法时便不再阻塞。

• clear：将“Flag”设置为False
• set：将“Flag”设置为True

用 threading.Event 实现线程间通信
使用threading.Event可以使一个线程等待其他线程的通知，我们把这个Event传递到线程对象中，
Event默认内置了一个标志，初始值为False。
一旦该线程通过wait()方法进入等待状态，直到另一个线程调用该Event的set()方法将内置标志设置为True时，
该Event会通知所有等待状态的线程恢复运行。

import threading,time
import random
def light():
    if not event.isSet():
        event.set() #wait就不阻塞 #绿灯状态
    count = 0
    while True:
        if count < 10:
            print('33[42;1m--green light on---33[0m')
        elif count <13:
            print('33[43;1m--yellow light on---33[0m')
        elif count <20:
            if event.isSet():
                event.clear()
            print('33[41;1m--red light on---33[0m')
        else:
            count = 0
            event.set() #打开绿灯
        time.sleep(1)
        count +=1
def car(n):
    while 1:
        time.sleep(random.randrange(10))
        if  event.isSet(): #绿灯
            print("car [%s] is running.." % n)
        else:
            print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)
if __name__ == '__main__':
    event = threading.Event()
    Light = threading.Thread(target=light)
    Light.start()
    for i in range(3):
        t = threading.Thread(target=car,args=(i,))
        t.start()

queue模块

queue是python标准库中的线程安全的队列（FIFO）实现,提供了一个适用于多线程编程的先进先出的数据结构，即队列，用来在生产者和消费者线程之间的信息传递。

queue.qsize()查队列大小

基本FIFO队列（queue.Queue(maxsize=0) ）

Queue提供了一个基本的FIFO容器，使用方法很简单,maxsize是个整数，指明了队列中能存放的数据个数的上限。

一旦达到上限，插入会导致阻塞，直到队列中的数据被消费掉。如果maxsize小于或者等于0，队列大小没有限制。

import Queue

q = queue.Queue()

for i in range(5):
    q.put(i)

while not q.empty():
    print q.get()

LIFO队列(queue.LifoQueue(maxsize=0))

 LIFO即Last in First Out,后进先出。与栈的类似，使用也很简单,maxsize用法同上

优先级队列(queue.PriorityQueue(maxsize=0) )