Python3 多线程

使用线程可以把占据长时间的程序中的任务放到后台去处理。
用户界面可以更加吸引人，这样比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度
程序的运行速度可能加快
在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，线程就比较有用了。在这种情况下我们可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。

线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。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。

每个线程都有他自己的一组CPU寄存器，称为线程的上下文，该上下文反映了线程上次运行该线程的CPU寄存器的状态。

指令指针和堆栈指针寄存器是线程上下文中两个最重要的寄存器，线程总是在进程得到上下文中运行的，这些地址都用于标志拥有线程的进程地址空间中的内存。

线程可以被抢占（中断）。
在其他线程正在运行时，线程可以暂时搁置（也称为睡眠） -- 这就是线程的退让。

线程可以分为:

内核线程：由操作系统内核创建和撤销。
用户线程：不需要内核支持而在用户程序中实现的线程。

Python3 线程中常用的两个模块为：

_thread
threading(推荐使用)

thread 模块已被废弃。用户可以使用 threading 模块代替。所以，在 Python3 中不能再使用"thread" 模块。为了兼容性，Python3 将 thread 重命名为 "_thread"。

Python中使用线程有两种方式：函数或者用类来包装线程对象。

函数式：调用 _thread 模块中的start_new_thread()函数来产生新线程。语法如下:

_thread.start_new_thread ( function, args[, kwargs] )

参数说明:

function - 线程函数。
args - 传递给线程函数的参数,他必须是个tuple类型。
kwargs - 可选参数。

实例：

 1 import _thread
 2 import time
 3 
 4 # 为线程定义一个函数
 5 def print_time( threadName, delay):
 6    count = 0
 7    while count < 5:
 8       time.sleep(delay)
 9       count += 1
10       print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))
11 
12 # 创建两个线程
13 try:
14    _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
15    _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
16 except:
17    print ("Error: 无法启动线程")
18 
19 while 1:
20    pass

执行以上程序输出结果如下：

 1 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:31 2018
 2 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:33 2018
 3 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:33 2018
 4 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:35 2018
 5 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:37 2018
 6 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:37 2018
 7 Thread-1: Tue Jun 19 21:05:39 2018
 8 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:41 2018
 9 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:45 2018
10 Thread-2: Tue Jun 19 21:05:49 2018

执行以上程后可以按下 ctrl-c to 退出。

线程模块

Python3 通过两个标准库 _thread 和 threading 提供对线程的支持。

_thread 提供了低级别的、原始的线程以及一个简单的锁，它相比于 threading 模块的功能还是比较有限的。

threading 模块除了包含 _thread 模块中的所有方法外，还提供的其他方法：

threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。
threading.enumerate(): 返回一个包含正在运行的线程的list。正在运行指线程启动后、结束前，不包括启动前和终止后的线程。
threading.activeCount(): 返回正在运行的线程数量，与len(threading.enumerate())有相同的结果。

除了使用方法外，线程模块同样提供了Thread类来处理线程，Thread类提供了以下方法:

run(): 用以表示线程活动的方法。
start():启动线程活动。
join([time]): 等待至线程中止。这阻塞调用线程直至线程的join() 方法被调用中止-正常退出或者抛出未处理的异常-或者是可选的超时发生。
isAlive(): 返回线程是否活动的。
getName(): 返回线程名。
setName(): 设置线程名。

使用 threading 模块创建线程

我们可以通过直接从 threading.Thread 继承创建一个新的子类，并实例化后调用 start() 方法启动新线程，即它调用了线程的 run() 方法：

 1 import threading
 2 import time
 3 
 4 exitFlag = 0
 5 
 6 class myThread (threading.Thread):
 7     def __init__(self, threadID, name, counter):
 8         threading.Thread.__init__(self)
 9         self.threadID = threadID
10         self.name = name
11         self.counter = counter
12     def run(self):
13         print ("开始线程：" + self.name)
14         print_time(self.name, self.counter, 5)
15         print ("退出线程：" + self.name)
16 
17 def print_time(threadName, delay, counter):
18     while counter:
19         if exitFlag:
20             threadName.exit()
21         time.sleep(delay)
22         print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())))
23         counter -= 1
24 
25 # 创建新线程
26 thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
27 thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)
28 
29 # 开启新线程
30 thread1.start()
31 thread2.start()
32 thread1.join()
33 thread2.join()
34 print ("退出主线程")

执行结果：

 1 开始线程：Thread-1
 2 开始线程：Thread-2
 3 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:35 2018
 4 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:36 2018
 5 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:36 2018
 6 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:37 2018
 7 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:38 2018
 8 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:38 2018
 9 Thread-1: Tue Jun 19 21:29:39 2018
10 退出线程：Thread-1
11 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:40 2018
12 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:42 2018
13 Thread-2: Tue Jun 19 21:29:44 2018
14 退出线程：Thread-2
15 退出主线程

线程同步

如果多个线程共同对某个数据修改，则可能出现不可预料的结果，为了保证数据的正确性，需要对多个线程进行同步。

使用 Thread 对象的 Lock 和 Rlock 可以实现简单的线程同步，这两个对象都有 acquire 方法和 release 方法，对于那些需要每次只允许一个线程操作的数据，可以将其操作放到 acquire 和 release 方法之间。如下：

多线程的优势在于可以同时运行多个任务（至少感觉起来是这样）。但是当线程需要共享数据时，可能存在数据不同步的问题。

考虑这样一种情况：一个列表里所有元素都是0，线程"set"从后向前把所有元素改成1，而线程"print"负责从前往后读取列表并打印。

那么，可能线程"set"开始改的时候，线程"print"便来打印列表了，输出就成了一半0一半1，这就是数据的不同步。为了避免这种情况，引入了锁的概念。

锁有两种状态——锁定和未锁定。每当一个线程比如"set"要访问共享数据时，必须先获得锁定；如果已经有别的线程比如"print"获得锁定了，那么就让线程"set"暂停，也就是同步阻塞；等到线程"print"访问完毕，释放锁以后，再让线程"set"继续。

经过这样的处理，打印列表时要么全部输出0，要么全部输出1，不会再出现一半0一半1的尴尬场面。

实例：

 1 import threading
 2 import time
 3 
 4 class myThread (threading.Thread):
 5     def __init__(self, threadID, name, counter):
 6         threading.Thread.__init__(self)
 7         self.threadID = threadID
 8         self.name = name
 9         self.counter = counter
10     def run(self):
11         print ("开启线程： " + self.name)
12         # 获取锁，用于线程同步
13         threadLock.acquire()
14         print_time(self.name, self.counter, 3)
15         # 释放锁，开启下一个线程
16         threadLock.release()
17 
18 def print_time(threadName, delay, counter):
19     while counter:
20         time.sleep(delay)
21         print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())))
22         counter -= 1
23 
24 threadLock = threading.Lock()
25 threads = []
26 
27 # 创建新线程
28 thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
29 thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)
30 
31 # 开启新线程
32 thread1.start()
33 thread2.start()
34 
35 # 添加线程到线程列表
36 threads.append(thread1)
37 threads.append(thread2)
38 
39 # 等待所有线程完成
40 for t in threads:
41     t.join()
42 print ("退出主线程")

执行以上程序，输出结果为：

1 开启线程： Thread-1
2 开启线程： Thread-2
3 Thread-1: Tue Jun 19 21:32:30 2018
4 Thread-1: Tue Jun 19 21:32:31 2018
5 Thread-1: Tue Jun 19 21:32:32 2018
6 Thread-2: Tue Jun 19 21:32:34 2018
7 Thread-2: Tue Jun 19 21:32:36 2018
8 Thread-2: Tue Jun 19 21:32:38 2018
9 退出主线程

线程优先级队列（ Queue）

Python 的 Queue 模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO（先入先出)队列Queue，LIFO（后入先出）队列LifoQueue，和优先级队列 PriorityQueue。

这些队列都实现了锁原语，能够在多线程中直接使用，可以使用队列来实现线程间的同步。

Queue 模块中的常用方法:

Queue.qsize() 返回队列的大小
Queue.empty() 如果队列为空，返回True,反之False
Queue.full() 如果队列满了，返回True,反之False
Queue.full 与 maxsize 大小对应
Queue.get([block[, timeout]])获取队列，timeout等待时间
Queue.get_nowait() 相当Queue.get(False)
Queue.put(item) 写入队列，timeout等待时间
Queue.put_nowait(item) 相当Queue.put(item, False)
Queue.task_done() 在完成一项工作之后，Queue.task_done()函数向任务已经完成的队列发送一个信号
Queue.join() 实际上意味着等到队列为空，再执行别的操作

实例:

 1 import queue
 2 import threading
 3 import time
 4 
 5 exitFlag = 0
 6 
 7 class myThread (threading.Thread):
 8     def __init__(self, threadID, name, q):
 9         threading.Thread.__init__(self)
10         self.threadID = threadID
11         self.name = name
12         self.q = q
13     def run(self):
14         print ("开启线程：" + self.name)
15         process_data(self.name, self.q)
16         print ("退出线程：" + self.name)
17 
18 def process_data(threadName, q):
19     while not exitFlag:
20         queueLock.acquire()
21         if not workQueue.empty():
22             data = q.get()
23             queueLock.release()
24             print ("%s processing %s" % (threadName, data))
25         else:
26             queueLock.release()
27         time.sleep(1)
28 
29 threadList = ["Thread-1", "Thread-2", "Thread-3"]
30 nameList = ["One", "Two", "Three", "Four", "Five"]
31 queueLock = threading.Lock()
32 workQueue = queue.Queue(10)
33 threads = []
34 threadID = 1
35 
36 # 创建新线程
37 for tName in threadList:
38     thread = myThread(threadID, tName, workQueue)
39     thread.start()
40     threads.append(thread)
41     threadID += 1
42 
43 # 填充队列
44 queueLock.acquire()
45 for word in nameList:
46     workQueue.put(word)
47 queueLock.release()
48 
49 # 等待队列清空
50 while not workQueue.empty():
51     pass
52 
53 # 通知线程是时候退出
54 exitFlag = 1
55 
56 # 等待所有线程完成
57 for t in threads:
58     t.join()
59 print ("退出主线程")

以上程序执行结果：

 1 开启线程：Thread-1
 2 开启线程：Thread-2
 3 开启线程：Thread-3
 4 Thread-2 processing One
 5 Thread-3 processing Two
 6 Thread-1 processing Three
 7 Thread-2 processing Four
 8 Thread-3 processing Five
 9 退出线程：Thread-2
10 退出线程：Thread-3
11 退出线程：Thread-1
12 退出主线程