python进阶（9）多线程

什么是线程？

线程也叫轻量级进程，是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包涵在进程之中，是进程中的实际运作单位。线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行
 

为什么要使用多线程？

线程在程序中是独立的、并发的执行流。与分隔的进程相比，进程中线程之间的隔离程度要小，它们共享内存、文件句柄 和其他进程应有的状态。 因为线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。进程在执行过程之中拥有独立的内存单元，而多个线程共享 内存，从而极大的提升了程序的运行效率。 线程比进程具有更高的性能，这是由于同一个进程中的线程都有共性，多个线程共享一个进程的虚拟空间。线程的共享环境包括进程代码段、进程的共有数据等，利用这些共享的数据，线程之间很容易实现通信。 操作系统在创建进程时，必须为进程分配独立的内存空间，并分配大量的相关资源，但创建线程则简单得多。因此，使用多线程来实现并发比使用多进程的性能高得要多。
 

多线程优点

进程之间不能共享内存，但线程之间共享内存非常容易。操作系统在创建进程时，需要为该进程重新分配系统资源，但创建线程的代价则小得多。因此使用多线程来实现多任务并发执行比使用多进程的效率高 python语言内置了多线程功能支持，而不是单纯地作为底层操作系统的调度方式，从而简化了python的多线程编程。
 

单线程执行

import time


def hello():
    print("你好，世界")
    time.sleep(1)


if __name__ == "__main__":
    for i in range(5):
        hello()

运行结果

 

多线程执行

import threading
import time

def saySorry():
    print("你好，世界")
    time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    for i in range(5):
        t = threading.Thread(target=saySorry)  # 创建线程对象，此时还未启动子线程
        t.start()  # 启动线程，即让线程开始执行

运行结果

 

执行速度对比

• 可以明显看出使用了多线程并发的操作，花费时间要短
• 当调用start()时，才会真正的创建线程，并且开始执行
   

函数式创建多线程

python中多线程使用threading模块，threading模块调用Thread类

self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs=None, *, daemon=None

• group：默认为None;预留给将来扩展ThreadGroup时使用类实现。不常用，可以忽略
• target：代表要执行的函数名，不是函数
• name：线程名，默认情况下的格式是"Thread-N",其中N是一个小的十进制数
• args：函数的参数，以元组的形式表示
• kwargs：关键字参数字典

小例子

import threading
from time import sleep
from datetime import datetime


def write(name):
    for i in range(3):
        print("{}正在写字{}".format(name, i))
        sleep(1)


def draw(name):
    for i in range(3):
        print("{}正在画画{}".format(name, i))
        sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    print(f'---开始---:{datetime.now()}')
    t1 = threading.Thread(target=write, args=('Jack', ))
    t2 = threading.Thread(target=draw, args=('Tom', ))
    t1.start()
    t2.start()
    print(f'---结束---:{datetime.now()}')

查看线程数量threading.enumerate()

import threading
from datetime import datetime
from time import sleep


def write():
    for i in range(3):
        print(f"正在写字...{i}")
        sleep(1)


def draw():
    for i in range(3):
        print(f"正在画画...{i}")
        sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    print(f'---开始---:{datetime.now()}')

    t1 = threading.Thread(target=write)
    t2 = threading.Thread(target=draw)

    t1.start()
    t2.start()

    while True:
        length = len(threading.enumerate())
        print(f'当前运行的线程数为：{length}')
        if length <= 1:
            break
        sleep(0.5)

结果

最开始打印线程数为3个，一个主线程+2个子线程t1，t2
最后打印线程数为1个，是因为子线程都结束了，就剩主线程了
 

自定义线程

继承threading.Thread来定义线程类，其本质是重构Thread类中的run方法
为什么执行run方法，就会启动线程呢？之前写函数时，调用的是start()方法
因为run方法里默认执行了start()方法

import threading
from time import sleep


class MyThread(threading.Thread):
    def run(self):
        for i in range(5):
            sleep(1)
            msg = "I'm " + self.name + ' @ ' + str(i)  # name属性中保存的是当前线程的名字
            print(msg)


if __name__ == '__main__':
    t = MyThread()
    t.start()

结果

 

守护线程

'''
    这里使用setDaemon(True)把所有的子线程都变成了主线程的守护线程，
    因此当主线程结束后，子线程也会随之结束，所以当主线程结束后，整个程序就退出了。
    所谓’线程守护’，就是主线程不管该线程的执行情况，只要是其他子线程结束且主线程执行完毕，主线程都会关闭。也就是说:主线程不等待该守护线程的执行完再去关闭。
'''

import threading
import time


def run(n):
    print('task', n)
    time.sleep(1)
    print('3s')
    time.sleep(1)
    print('2s')
    time.sleep(1)
    print('1s')


if __name__ == '__main__':
    t = threading.Thread(target=run, args=('t1',))
    t.setDaemon(True)
    t.start()
    print('end')  

结果

task t1
end

通过执行结果可以看出，设置守护线程之后，当主线程结束时，子线程也将立即结束，不再执行

主线程等待子线程结束(join)

为了让守护线程执行结束之后，主线程再结束，我们可以使用join方法，让主线程等待子线程执行

import threading
import time


def run(n):
    print('task', n)
    time.sleep(1)
    print('3s')
    time.sleep(1)
    print('2s')
    time.sleep(1)
    print('1s')


if __name__ == '__main__':
    t = threading.Thread(target=run, args=('t1',))
    t.setDaemon(True)  # 把子线程设置为守护线程，必须在start()之前设置
    t.start()
    t.join()  # 设置主线程等待子线程结束
    print('end')

结果

task t1
3s
2s
1s
end

线程共享变量

'''
多线程共享全局变量
线程时进程的执行单元，进程时系统分配资源的最小执行单位，所以在同一个进程中的多线程是共享资源的
'''
import threading
import time

g_num = 0


def work1(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        g_num += 1
    print("----in work1, g_num is %d---"%g_num)


def work2(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        g_num += 1
    print("----in work2, g_num is %d---"%g_num)


print("---线程创建之前g_num is %d---"%g_num)

t1 = threading.Thread(target=work1, args=(1000000,))
t1.start()

t2 = threading.Thread(target=work2, args=(1000000,))
t2.start()

while len(threading.enumerate()) != 1:
    time.sleep(1)

print("2个线程对同一个全局变量操作之后的最终结果是:%s" % g_num)

结果

---线程创建之前g_num is 0---
----in work2, g_num is 1451293---
----in work1, g_num is 1428085---
2个线程对同一个全局变量操作之后的最终结果是:1428085

先来看结果，为什么不是200000呢？
原因是多线程共用同一个变量，可能会出现资源竞争的问题，导致数据不准确，那有什么解决办法吗？下面介绍互斥锁
 

互斥锁

由于线程之间是进行随机调度，并且每个线程可能只执行n条执行之后，当多个线程同时修改同一条数据时可能会出现脏数据，所以出现了线程锁，即同一时刻允许一个线程执行操作。线程锁用于锁定资源，可以定义多个锁，像下面的代码，当需要独占 某一个资源时，任何一个锁都可以锁定这个资源，就好比你用不同的锁都可以把这个相同的门锁住一样。
 
由于线程之间是进行随机调度的，如果有多个线程同时操作一个对象，如果没有很好地保护该对象，会造成程序结果的不可预期，我们因此也称为线程不安全。
 
为了防止上面情况的发生，就出现了互斥锁（Lock）

import threading
import time

g_num = 0
# 创建一个互斥锁
# 默认是未上锁的状态
lock = threading.Lock()

def test1(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        lock.acquire()  # 上锁
        g_num += 1
        lock.release()  # 解锁

    print("---test1---g_num=%d"%g_num)


def test2(num):
    global g_num
    for i in range(num):
        lock.acquire()  # 上锁
        g_num += 1
        lock.release()  # 解锁

    print("---test2---g_num=%d"%g_num)

# 创建2个线程，让他们各自对g_num加1000000次
p1 = threading.Thread(target=test1, args=(1000000,))
p1.start()

p2 = threading.Thread(target=test2, args=(1000000,))
p2.start()

# 等待计算完成
while len(threading.enumerate()) != 1:
    time.sleep(1)

print("2个线程对同一个全局变量操作之后的最终结果是:%s" % g_num)

结果

---test2---g_num=1961182
---test1---g_num=2000000
2个线程对同一个全局变量操作之后的最终结果是:2000000

上锁解锁过程

当一个线程调用锁的acquire()方法获得锁时，锁就进入locked状态。 每次只有一个线程可以获得锁。如果此时另一个线程试图获得这个锁，该线程就会变为blocked状态，称为“阻塞”，直到拥有锁的线程调用锁的release()方法释放锁之后，锁进入unlocked状态。 线程调度程序从处于同步阻塞状态的线程中选择一个来获得锁，并使得该线程进入运行（running）状态。
 

锁的好处

• 确保了某段关键代码只能由一个线程从头到尾完整地执行
   

锁的坏处

• 阻止了多线程并发执行，包含锁的某段代码实际上只能以单线程模式执行，效率就大大地下降了
• 由于可以存在多个锁，不同的线程持有不同的锁，并试图获取对方持有的锁时，可能会造成死锁
   

GIL全局解释器

在非python环境中，单核情况下，同时只能有一个任务执行。多核时可以支持多个线程同时执行。但是在python中，无论有多少个核同时只能执行一个线程。究其原因，这就是由于GIL的存在导致的。
 
GIL的全程是全局解释器，来源是python设计之初的考虑，为了数据安全所做的决定。某个线程想要执行，必须先拿到GIL，我们可以把GIL看做是“通行证”，并且在一个python进程之中，GIL只有一个。拿不到通行证的线程，就不允许进入CPU执行。GIL只在cpython中才有，因为cpython调用的是c语言的原生线程，所以他不能直接操作cpu，而只能利用GIL保证同一时间只能有一个线程拿到数据。而在pypy和jpython中是没有GIL的
 
python在使用多线程的时候，调用的是c语言的原生过程。
 

python针对不同类型的代码执行效率也是不同的

1. CPU密集型代码（各种循环处理、计算等），在这种情况下，由于计算工作多，ticks技术很快就会达到阀值，然后出发GIL的 释放与再竞争（多个线程来回切换当然是需要消耗资源的），所以python下的多线程对CPU密集型代码并不友好。
    
2. IO密集型代码（文件处理、网络爬虫等设计文件读写操作），多线程能够有效提升效率（单线程下有IO操作会进行IO等待， 造成不必要的时间浪费，而开启多线程能在线程A等待时，自动切换到线程B，可以不浪费CPU的资源，从而能提升程序的执行 效率）。所以python的多线程对IO密集型代码比较友好。
    
   主要要看任务的类型，我们把任务分为I/O密集型和计算密集型，而多线程在切换中又分为I/O切换和时间切换。如果任务属于是I/O密集型，若不采用多线程，我们在进行I/O操作时，势必要等待前面一个I/O任务完成后面的I/O任务才能进行，在这个等待的过程中，CPU处于等待状态，这时如果采用多线程的话，刚好可以切换到进行另一个I/O任务。这样就刚好可以充分利用CPU避免CPU处于闲置状态，提高效率。但是,如果多线程任务都是计算型，CPU会一直在进行工作，直到一定的时间后采取多线程时间切换的方式进行切换线程，此时CPU一直处于工作状态， 此种情况下并不能提高性能，相反在切换多线程任务时，可能还会造成时间和资源的浪费，导致效能下降。这就是造成上面两种多线程结果不能的解释。
    

结论:I/O密集型任务，建议采取多线程，还可以采用多进程+协程的方式(例如:爬虫多采用多线程处理爬取的数据)；对于计算密集型任务，python此时就不适用了。