Python多线程1：threading

threading模块提供了高级别的线程接口，基于低级别的_thread模块实现。

模块基本方法

该模块定了的方法例如以下：
threading.active_count()
        返回当前活跃的Thread对象数量。

返回值和通过enumerate()返回的列表长度是相等的。
threading.current_thread()
        返回当前线程对象，相应调用者的控制线程。

假设调用者的控制线程不是通过threading模块创建，一个功能受限的虚拟线程被返回。
threading.get_ident()
        返回当前线程的“线程标识符”。

这是一个非0整数，没有特定含义，通经常使用于索引线程特定数据的字典。

线程标识符能够被循环使用。

threading.enumerate()
        返回当前活跃的全部线程对象的列表。该列表包含精灵线程、被current_thread()创建的虚拟线程对象、和主线程。

它不包含终止的线程和还没有启动的线程。

threading.main_thread()
        返回主线程对象。

在正常情况下，主线程就是Python解释器启动的线程。
threading.settrace(func)
        为全部从threading模块启动的线程设置一个trace函数。

在每一个线程的run()方法被调用前。函数将为每一个线程被传递到sys.settrace()。

threading.setprofile(func)
        为全部从threading模块启动的线程设置一个profile函数。在每一个线程的run()方法被调用前，函数将为每一个线程被传递到sys.setprofile() 。
threading.stack_size([size])
        返回当创建一个新线程是使用的线程栈大小，0表示使用平台或配置的默认值。
平台顶一个常量例如以下：
threading.TIMEOUT_MAX 
        堵塞函数（Lock.acquire()、RLock.acquire()、Condition.wait()等）的超时參数同意的最大值。指定的值超过该值将抛出OverflowError。

该模块也定义了一些类，在以下会讲到。
该模块的设计是仿照Java的线程模型。然而。Java使lock和condition变量成为每一个对象的基本行为。在Python中则是分离的对象。Python的Thread类支持Java的线程类的行为的一个子集；当前，没有优先级，没有线程组，而且线程不能被销毁、停止、暂停、恢复、或者中断。当实现时，Java的线程类的静态方法被相应到模块级函数。
形容在以下的全部方法都被原子地运行。

线程本地数据

线程本地数据是那些值和特定线程相关的数据。为了管理线程本地数据，创建一个local类（或者一个子类）的实例，然后存储属性在它里面：

mydata = threading.local()
mydata.x = 1

为不同线程实例的值将是不同的。

class threading.local 
表示线程本地数据的类。

很多其它的细节參考_threading_local的文档字符串。

线程对象

Thread类表示一个执行在一个独立的控制线程中的行为。有两个方法指定这个行为：通过传递一个callable对象给构造函数，或者通过在子类中重载run()方法，在子类中没有其它方法（除了构造函数）应该被重载，换句话说，仅重载这个类的__init__()和run()方法。

一旦一个线程对象被创建，他的行为必须通过线程的start()方法启动。这将在一个独立的控制线程中调用run()方法。
一旦线程的行为被启动，这个线程被觉得是'活跃的'。

正常情况下，当它的run()终止时它推出活跃状态。或者出现为处理的异常。is_alive()方法可用于測试线程是否活跃。
其他线程能调用一个线程的join()方法。

这将堵塞调用线程直到join()方法被调用的线程终止。

一个线程有一个名称，名称能被传递给构造器，并能够通过name属性读取或者改变。

一个线程能被标注为“精灵线程”。

这个标志的意义是当今有精灵线程遗留时，Python程序将退出。初始值从创建的线程继承，这个标志能够通过daemon属性设置，或者通过构造器的daemon參数传入。
注意，精灵线程在关闭时会突然地停止。他们的资源（比如打开的文件、数据库事务等）不能被正确的释放。假设你想你的线程优雅地停止，应该使它们是非精灵线程而且使用一个适当的信号机制，比如Event（后面解说）。
有一个“主线程”对象，这相应到Python程序的初始控制线程，它不是精灵线程。
有可能“虚拟线程对象”被创建，则会存在线程对象相应到“外星人线程”，其控制线程在threading模块之外启动，比如直接从C代码启动。虚拟线程对象的功能是受限的，它们总是被觉得是活跃的精灵线程，不能被join()。

他们不能被删除，因为探測外星人线程的终止是不可能的。

以下是Thread类的构造方法：


class threading.Thread(group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}, *, daemon=None) 
1）group：应该是None，保留为未来的扩展，当一个ThreadGroup类被实现的时候须要；
2）target：一个callable对象，被run()方法调用。默觉得None，意味着什么都不做。
3）name：线程名，默认情况下，一个形式为“Thread-N”的唯一名被构造，N是一个小的十进制数；
4）args：调用target的參数元组，默觉得()；
5）kwargs：为target调用的參数字典，默觉得{}；
6）daemon：假设不为None。则设置该线程是否为精灵线程。假设为None，则从当前线程继承；
假设子类覆盖了构造器。在做其他不论什么事情之前。它必须确保先调用基类的构造器（Thread.__init__()）。
线程的经常用法例如以下：
1）start()
启动线程。
每一个线程最多仅仅能调用一次。它会导致对象的run()方法在独立的控制线程中被调用。

假设在同一个线程对象上调用超过一次将抛出RuntimeError。
2）run()
表示线程行为的方法。

你能够在子类中重载该方法。

标准的run()方法调用传入到构造器中callable对象（相应target參数），使用相应的args或者kwargs參数。
3）join(timeout=None)
等待直到线程结束。这将堵塞当前线程直到join()方法被调用的线程终止或者抛出一个未处理的异常，或者设置的溢出时间到达。
假设timeout參数指定且为非None，则它应该是一个浮点数，用于指定操作的溢出时间，单位为秒。因为join()总是返回None，因此在join()结束后你必须调用is_alive()来推断线程是否结束。假设线程任然是活跃的，join()调用则是时间溢出。

当timeout不被指定，或者指定为None时。操作将堵塞直到线程终止。
一个线程能被join()多次。
假设一个join当前线程的尝试将导致一个死锁，join()将抛出RuntimeError。

在一个线程启动之前对该线程做join()操作也将导致相同的异常。
4）name
线程名，仅用于标识一个线程，没有语义，多个线程能够被给相同的名字，初始的名称被构造器设置。

5）getName() 
  setName()
name的旧的getter/setter API。如今直接使用name属性取代。

6）ident
这个线程的“线程标识符”，假设线程没有启动，则为None。

这是一个非0整数。

线程标识符能够被循环使用，一个线程退出后它的线程标识符能够被其他线程使用。
7）is_alive()
返回线程是否活跃。

该方法仅仅有在run()启动后而且在终止之前才返回True。模块函数enumerate()返回全部活跃线程的一个列表。
8）daemon
一个布尔值。用于表示该线程是否精灵线程。

该值必须在start()方法调用之前设置，否则RuntimeError被抛出。它的初始值从创建的线程继承。主线程不是一个精灵线程，因此全部在主线程中创建的线程daemon默觉得False。
当没有活跃的非精灵线程执行时。整个Python程序退出。
9）isDaemon() 
       setDaemon()
老的getter/setter API。如今直接使用daemon属性取代。

Lock对象

基元锁是不被特定线程拥有的同步基元。

在Python中。它是当前可用的最低级别的同步基元，通过_thread扩展模块直接实现。
一个基元锁存在两种状态，“锁”或者“未锁”，初始创建时处于未锁状态。

他有两个基本方法：acquire()和release()。当状态是未锁时，acquire()将改变其状态到锁而且马上返回；当状态是锁时，acquire()堵塞直到还有一个线程调用release()释放了锁，然后acquire()获取锁并重设锁的状态到锁而且返回。

release()应该仅仅在锁处理锁状态时才调用，它改变锁的状态到未锁而且马上返回。假设尝试释放一个未锁的锁，一个RuntimeError将被抛出。
锁也支持上下文管理协议。
当超过一个线程被锁堵塞，当锁被释放后仅有一个线程能获取到锁，获取到锁的线程不确定。依赖详细的实现。
相关类例如以下：


class threading.Lock 
该类实现了基元锁对象。线程能够通过acquire请求该锁。假设已经存在其他线程获取了锁。则线程堵塞。直到其他线程释放锁。
1）acquire(blocking=True, timeout=-1)
请求一个锁，堵塞或者非堵塞。
当blocking參数为True（默认），将堵塞直到锁被释放。然后获取锁并返回True。
当blocking參数为False，将不堵塞。假设已经存在线程获取了锁，调用将马上返回False。否则。将获取锁并返回True。

当timeout參数大于0时。最多堵塞timeout指定的秒值。

timeout为-1（默认）表示一直等待。当blocking为False时不同意指定timeout參数。

假设锁请求成功。则返回True，否则返回False（比如超时）。

2）release()
释放一个锁。这能在不论什么线程中调用，不仅在获取锁的线程中。

当锁处于锁状态时，重设它为未锁，并返回。其他堵塞等待该锁的线程中将有一个线程能获取到锁。
在一个未锁的锁上调用该方法。将抛出RuntimeError。

无返回值。

RLock对象

一个可重入锁能够被同一个线程请求多次。在内部，它在基元锁的基础上使用了“拥有者线程”和“递归级别”的概念。在锁状态，一些线程拥有锁；在未锁状态。没有线程拥有锁。
为了获取锁，一个线程调用acquire()方法。获取锁后返回；为了释放锁，一个线程调用release()方法。acquire()/release()的调用能够是嵌套的，仅仅有最后的release()重设锁到未锁。

可重入锁也支持上下文管理协议。


class threading.RLock 
该类实现了可重入锁对象。一个可重入锁必须被请求它的线程释放，一旦一个线程拥有了一个可重入锁，该线程能够再次请求它，注意请求锁的次数必须和释放锁的次数相应。

注意RLock实际上是一个工厂函数，返回当前平台支持的效率最高的RLock类版本号的一个实例。

1）acquire(blocking=True, timeout=-1)
请求一个锁，堵塞或者非堵塞方式。

当參数为空时：假设这个线程已经拥有锁，递归级别加一，然后返回。否则，假设还有一个线程拥有锁，堵塞直到锁被释放。

假设锁处于未锁状态（不被不论什么线程拥有），则设置拥有者线程。并设置递归级别为1，然后返回。假设超过一个线程处于堵塞等待队列中，一次仅有一个线程能获取锁。

该场景没有返回值。
当blocking为True时，和没有參数的场景同样，并返回True。

当blocking为False时。将不堵塞。假设锁处于锁状态，则马上返回False；否则。和没有參数的场景同样，并返回True。
当timeout參数大于0时。最多堵塞timeout秒。假设在timeout秒内获取了锁，则返回True，否则超时返回False。
2）release()
释放一个锁，降低递归级别。假设递归级别降低到0，则重设锁的状态到未锁（不被不论什么线程拥有）。假设降低后递归级别任然大于0。则锁任然被调用者线程保持。
仅当调用者线程拥有锁时才调用该方法。否则抛出RuntimeError。
没有返回值。

Condition对象

condition变量总是和锁相关联，这能被传入或者通过默认创建。

当几个condition变量必须共享同一个锁时传入是实用的。锁是condition对象的一部分：你不必分别跟踪它。
condition变量遵守上下文管理协议：在代码块中用with语句获取相关的锁。acquire()和release()方法也调用相关锁的相应方法。
其他方法必须被相关锁的持有者调用。

wait()方法释放锁，然后堵塞直到还有一个线程调用notify()或者notify_all()唤醒它。唤醒后，wait()又一次获取锁并返回。它也能够指定一个超时时间。
notify()方法唤醒等待线程中的一个；notify_all()方法唤醒全部等待线程。
注意：notify()和notify_all()方法不释放锁；这意味着唤醒的线程或者线程组将不会从wait()调用中马上返回。
使用condition变量的一个典型的应用就是用锁同步对一些共享状态的进入；对某个特定状态感兴趣的线程重复调用wait()。直到出现他们感兴趣的状态。改动这个状态的线程则调用notify()或者notify_all()来通知等待的线程状态已经改变。比如。以下是一个典型的使用了无限缓存的生产者-消费者模式：

# 消费一个条目
with cv:
    while not an_item_is_available():
        cv.wait()
    get_an_available_item()

# 产生一个条目
with cv:
    make_an_item_available()
    cv.notify()

while循环检查是否有条目可用。由于wait()能够在等待随意时间后返回，也有可能调用notify()的线程并没有使条件为真。在多线程编程中这个问题始终存在。wait_for()方法能被用于自己主动的条件检測，简化超时的计算：

# 消费一个条目
with cv:
    cv.wait_for(an_item_is_available)
    get_an_available_item()

对于notify()和notify_all()。使用哪个在于应用场景中有一个还是多个等待线程。

比如。在一个典型的生产者-消费者场景中。添加一个条目到缓存仅须要唤醒一个消费者线程。


class threading.Condition(lock=None)
该类实现条件变量对象。一个条件变量同意一个或多个线程等待。直到他们被还有一个线程通知。

假设lock參数被指定且不为None。它必须是Lock或者RLock对象，被用做隐含锁。

否则。一个新的RLock对象被创建并作为隐含锁。

1）acquire(*args)
请求一个隐含锁，这种方法会调用隐含锁的相应方法。返回值即为隐含锁的方法的返回值。

2）release()
释放隐含锁。

这种方法调用隐含锁的相应方法。没有返回值。
3）wait(timeout=None)
等待直到被唤醒。或者超时。

假设调用线程没有请求锁。RuntimeError被抛出。
该方法会释放隐含锁，然后堵塞直到它被还有一个线程调用同一个condition对象的notify()或者notify_all()方法唤醒，或者直到指定的timeout时间溢出。一旦唤醒或者超时，它又一次请求锁并返回。
当timeout參数被指定并不为None，则指定了一个秒级的超时时间。
当隐含锁是一个RLock锁，它不通过release()方法释放锁，由于假设线程请求了多次锁，使用release()方法不能解锁（必须调用和lock方法同样的次数才干解锁）。

一个RLock类的内部接口被使用，该接口能释放锁，无论锁请求了多少次。

当锁被请求时，还有一个内部接口被用于还原锁的递归层级。

方法返回True，假设超时则返回False。
4）wait_for(predicate, timeout=None)
等待直到条件为True。

predicate应该是一个callable，返回值为布尔值。

timeout用于指定超时时间。

该方法相当于重复调用wait()直到条件为真，或者超时。返回值是最后的predicate的返回值。或者超时返回Flase。

忽略超时特性，调用这种方法相当于：

while not predicate():
    cv.wait()

因此。调用该方法和调用wait()具有相同的规则：调用是或者从堵塞中返回时必须先获取锁。

5）notify(n=1)
默认情况下，唤醒一个等待线程。假设调用该方法的线程没有获取锁，则RuntimeError被抛出。

这种方法子多唤醒n（默觉得1）个等待线程；假设没有线程等待。则没有操作。
假设至少n个线程正在等待。当前的实现是刚好唤醒n个线程。

然而，依赖这个行为是不安全的，由于，未来某些优化后的实现可能会唤醒超过n个线程。
注意：一个唤醒的线程仅仅有当请求到锁后才会从wait()调用中返回。因为notify()不释放锁，所以它的调用者应该释放锁。

6）notify_all()
唤醒全部等待线程。这种方法的行为类似于notify()，可是唤醒全部等待线程。假设调用线程未获取锁，则RuntimeError被抛出。

Semaphore对象

这是计算机科学历史上最早的同步基元中的一个，被荷兰的计算机科学家Edsger W. Dijkstra发明（他使用P()和V()而不是acquire()和release()）。
semaphore管理一个内部计数，每次调用acquire()时该计数减一，每次调用release()时计数加一。

计数不会小于0。当acquire()发现计数为0时，则堵塞。等待直到其他线程调用release()。

semaphore也支持上下文管理协议。


class threading.Semaphore(value=1) 
该类实现semaphore对象。一个semaphore管理一个表示计数表示能并行进入的线程数量。假设计数为0。则acquire()堵塞直到计数大于0。

value默觉得1.
value给出了内部计数的初始值，默觉得1。假设传入的value小于0，则抛出ValueError。
1）acquire(blocking=True, timeout=None)
请求semaphore。

当没有參数时：假设内部计数大于0。将计数减1并马上返回。假设计数为0。堵塞。等待直到还有一个线程调用了release()。这使用互锁机制实现，保证了假设有多个线程调用acquire()堵塞。则release()将仅仅会唤醒一个线程。唤醒的线程是随机选择一个，不依赖堵塞的顺序。

成功返回True（或者无限堵塞）。

假设blocking为False，将不堵塞。假设无法获取semaphore。则马上返回False；否则。同没有參数时的操作，并返回True。
当设置了timeout而且不是None，它将堵塞最多timeout秒。假设在该时间内没有成功获取semaphore，则返回False；否则返回True。
2）release()
释放一个semaphore。计数加1。假设计数初始为0，则须要唤醒等待队列中的一个线程。

class threading.BoundedSemaphore(value=1)
该类实现了有界的semaphore对象。一个有界的semaphore会确保它的当前值没有溢出他的初始值。假设溢出。则ValueError被抛出。

在大部分场景下。semaphore被用于限制资源的使用。

假设semaphore被释放太多次，往往表示出现了bug。

Semaphore使用实例

Semaphore通常被用于控制资源的使用。比如。一个数据库server。在一些情况下。资源的大小被固定，你应该使用一个有界的Semaphore。

在启动其它工作线程之前。你的主线程首先初始化Semaphore：

maxconnections = 5
# ...
pool_sema = BoundedSemaphore(value=maxconnections)

其他工作线程则在须要连接到server时调用Semaphore的请求和释放方法：

with pool_sema:
    conn = connectdb()
    try:
        # ... use connection ...
    finally:
        conn.close()

有个有界的Semaphore能够降低程序出错的机会，防止semaphore释放的次数大于请求次数引发的问题。

Event对象

这是在线程间最简单的通信机制之中的一个：一个线程通知一个事件，还有一个线程等待通知并作出处理。

一个Event对象管理一个内部标志，使用set()方法能够将其设置为True，使用clear()方法能够将其重设为False。wait()方法将堵塞直到标志为True。


class threading.Event
该类实现事件对象。

一个事件管理一个标志，能够通过set()方法将其设置为True，通过clear()方法将其重设为False。wait()方法堵塞直到标志为True。

标志初始为False。
1）is_set()
当且仅当内部标志为True时返回True。

2）set()
设置标志为True。

全部等待的线程都将被唤醒。一旦标志为True。调用wait()的线程将不再堵塞。
3）clear()
重设标志为False。

接下来，全部调用wait()的线程将堵塞直到set()被调用。
4）wait(timeout=None)
堵塞直到标志被设置为True。假设标志已经为True，则马上返回；否则，堵塞直到还有一个线程调用set()，或者直到超时。

当timeout參数被指定且不为None，线程将仅等待timeout的秒数。
该方法当标志为True时返回True，当超时时返回False。

Timer对象

该类表示了一个定时器，表示一个行为在多少时间后被运行。Timer是Thread的子类，能够作为创建自己定义线程的一个实例。
Timer通过调用start()方法启动，通过调用cancel()方法停止（必须在行为被运行之前）。Timer运行指定行为之间的等待时间并非精确的，也就是说可能与用户指定的间隔存在差异。
比如：

def hello():
    print("hello, world")

t = Timer(30.0, hello)
t.start() # 30秒后，"hello, world"将被打印

class threading.Timer(interval, function, args=None, kwargs=None) 
创建一个Timer，在interval秒之后，将使用參数args和kwargs作为參数运行function。假设args为None（默认），将使用空list。假设kwargs是None（默认）。则使用空字典。
1）cancel()
停止定时器。而且取消定时器的行为的运行。这仅当定时器任然处理等待状态时才有效。

Barrier对象

栅栏提供了一个简单的同步基元，用于固定数量的线程须要等待彼此的场景。

尝试通过栅栏的每一个线程都会调用wait()方法，然后堵塞直到全部的线程都调用了该方法。然后，全部线程同一时候被释放。
栅栏能被反复使用随意多次，但必须是同等数量的线程。

以下是一个样例，一个同步client和服务端线程的简单方法：

b = Barrier(2, timeout=5)

def server():
    start_server()
    b.wait()
    while True:
        connection = accept_connection()
        process_server_connection(connection)

def client():
    b.wait()
    while True:
        connection = make_connection()
        process_client_connection(connection)

class threading.Barrier(parties, action=None, timeout=None) 
为parties个线程创建一个栅栏对象，假设提供了action，则当线程被释放时。它将被线程中的一个调用。timeout表示wait()方法的默认超时时间值。
1）wait(timeout=None)
通过栅栏。当全部使用栅栏的线程都调用了该方法后，他们将被同一时候释放。假设timeout被提供，他优先于类构造器提供的timeout參数。
返回值是0到parties的整数，每一个线程都不同。这能用于选择某个特定的线程做一些特定的操作，比如：

i = barrier.wait()
if i == 0:
    # Only one thread needs to print this
    print("passed the barrier")

假设一个action被提供给了构造器，线程中的当中一个将在被释放时调用它。假设调用抛出一个异常。则栅栏进入损坏状态。

假设调用超时。则栅栏进入损坏状态。
假设栅栏处于损坏状态，或者有线程在等待时被重设了。则该方法会抛出BrokenBarrierError异常。
2）reset()
恢复栅栏到默认状态。

不论什么处于等待中的线程将收到BrokenBarrierError异常。
注意这里须要额外的同步。假设一个栅栏被损坏，创建一个新的栅栏或许是更好的选择。
3）abort()
放置栅栏到损坏状态。

这导致当前处于等待的线程和未来对wait()的调用都会抛出BrokenBarrierError。通常使用该方法是为了避免死锁。
使用一个超时时间应该是更好的选择。
4）parties
要求通过栅栏的线程的数量。
5）n_waiting
当前处于等待中的线程数量。
6）broken
栅栏是否处于损坏状态，假设是则为True。

exception threading.BrokenBarrierError
该异常是RuntimeError的子类，当栅栏对象被重设或者损坏时被抛出。

在with语句中使用locks、conditions和semaphores

全部被该模块提供的具有acquire()和release()方法的对象都能使用with语句管理。

当进入堵塞状态时acquire()方法将被调用，而当推出堵塞状态时release()方法将被调用。以下是详细的语法：

with some_lock:
    # do something...

等价于：

some_lock.acquire()
try:
    # do something...
finally:
    some_lock.release()

当前，Lock、RLock、Condition、Semaphore和BoundedSemaphore都能够在with语句中管理。