python多線程講解-創(chuàng)新互聯(lián)

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什么是線程？

并發(fā)與并行

什么是GIL?

為什么要使用多線程？

多線程實(shí)例

守護(hù)線程

多線程共享全局變量

互斥鎖Lock

RLock遞歸鎖

信號量

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python多線程是一個(gè)非常重要的知識點(diǎn)，接下來對該部分內(nèi)容進(jìn)行梳理。

什么是線程？

線程也叫輕量級進(jìn)程，是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位，它被包涵在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)兒在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個(gè)線程，同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。

并發(fā)與并行

并發(fā)是快速交替輪換執(zhí)行（線程看起來是同時(shí)在運(yùn)行，實(shí)際上是一個(gè)線程遇到耗時(shí)的IO等操作時(shí)將此線程掛起釋放GIL全局解釋器鎖轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他線程的過程，這個(gè)過程輪換的非?？欤院暧^上看起來就像是多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行），并行是同一時(shí)間同時(shí)運(yùn)行（進(jìn)程可以做到并行運(yùn)行，充分利用多核cpu的優(yōu)勢）

什么是GIL?

GIL全稱是全局解釋器鎖，為了解決多線程之間數(shù)據(jù)完整性和狀態(tài)同步而產(chǎn)生的一把鎖。它保證了在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行，當(dāng)其他線程需要運(yùn)行時(shí)必須先拿到這把鎖才能執(zhí)行，這就保證了數(shù)據(jù)的完整性和狀態(tài)的同步。關(guān)于GIL的更多知識可以參考這篇博客。

為什么要使用多線程？

線程在程序中是獨(dú)立的、并發(fā)的執(zhí)行流。與分隔的進(jìn)程相比，進(jìn)程中線程之間的隔離程度要小，它們共享內(nèi)存、文件句柄?和其他進(jìn)程應(yīng)有的狀態(tài)。
因?yàn)榫€程的劃分尺度小于進(jìn)程，使得多線程程序的并發(fā)性高。進(jìn)程在執(zhí)行過程之中擁有獨(dú)立的內(nèi)存單元，而多個(gè)線程共享內(nèi)存，從而極大的提升了程序的運(yùn)行效率。線程比進(jìn)程具有更高的性能，這是由于同一個(gè)進(jìn)程中的線程都有共性，多個(gè)線程共享一個(gè)進(jìn)程的虛擬空間。線程的共享環(huán)境包括進(jìn)程代碼段、進(jìn)程的共有數(shù)據(jù)等，利用這些共享的數(shù)據(jù)，線程之間很容易實(shí)現(xiàn)通信。操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，必須為改進(jìn)程分配獨(dú)立的內(nèi)存空間，并分配大量的相關(guān)資源，但創(chuàng)建線程則簡單得多。因此，使用多線程來實(shí)現(xiàn)并發(fā)比使用多進(jìn)程的性能高得要多。

操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，需要為該進(jìn)程重新分配系統(tǒng)資源，但創(chuàng)建線程的代價(jià)則小得多。因此使用多線程來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行比使用多進(jìn)程的效率。python語言內(nèi)置了多線程功能支持，而不是單純地作為底層操作系統(tǒng)的調(diào)度方式，從而簡化了python的多線程編程。

多線程實(shí)例

普通創(chuàng)建方式：

打印結(jié)果如下：

通過打印的順序可以發(fā)現(xiàn)，多線程是異步非阻塞的（首先打印task2,再打印task3,最后等待task1執(zhí)行結(jié)束后再結(jié)束主線程），主線程的結(jié)束并沒有強(qiáng)制結(jié)束子線程，是等待子線程結(jié)束后才結(jié)束主線程。?當(dāng)我們需要某個(gè)線程執(zhí)行完成再往下面執(zhí)行，可以手動添加join()方法阻塞主線程，這樣主線程會等待join的線程執(zhí)行完成再往下執(zhí)行，下面守護(hù)線程會講到j(luò)oin()方法。

自定義線程------繼承threading.Thread類實(shí)現(xiàn)自定義線程，其本質(zhì)是重構(gòu)Thread類的run方法：

打印結(jié)果：

t.start()方法在執(zhí)行的時(shí)候會自動調(diào)用run()方法，所以在自定義線程的時(shí)候只需要重寫__init__方法和run()方法即可，__init__方法負(fù)責(zé)接收參數(shù)，這些參數(shù)最后會傳入run()方法中，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)自定義功能。

守護(hù)線程

這里使用setDaemon(True)把所有的子線程都變成了主線程的守護(hù)線程，因此當(dāng)主線程結(jié)束后，子線程也會隨之結(jié)束，所以當(dāng)主線程結(jié)束后，整個(gè)程序就退出了。

把線程t1設(shè)置成守護(hù)線程，意味著不管t1線程有沒有運(yùn)行完成，只要主線程運(yùn)行結(jié)束了，t1線程也會被迫結(jié)束，看一下打印結(jié)果：

t2、t3線程運(yùn)行結(jié)束后主線程也隨之運(yùn)行到結(jié)尾，此時(shí)t1線程還處于sleep狀態(tài)，但是由于設(shè)置成守護(hù)線程了，此時(shí)主線程關(guān)閉，t1線程也被迫結(jié)束，整個(gè)程序退出。

但是在這種情況下，可以使用join()方法手動阻塞當(dāng)前線程，看如下代碼：

使用t1.join()阻塞當(dāng)前進(jìn)程，當(dāng)主線程運(yùn)行到t1.join()的時(shí)候會被阻塞在此處，直到t1線程運(yùn)行結(jié)束，所以就算t1線程設(shè)置成了守護(hù)線程，主線程也得等到t1線程運(yùn)行完成后才能往下執(zhí)行，然后結(jié)束主線程，退出程序。打印結(jié)果如下：

多線程共享全局變量

一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程資源是共享的，看下面這個(gè)例子：

打印結(jié)果如下：

從打印結(jié)果可以看出來，全局的變量在work1中做了加法，在work2中打印num的值時(shí)顯示的是加法運(yùn)行之后的值，說明兩個(gè)work操作的是同一個(gè)變量。從而印證了線程之間的資源是共享的。

雖然有了全局解釋器鎖GIL，但是它不能保證線程數(shù)據(jù)的安全性，當(dāng)多個(gè)線程操作一個(gè)變量的時(shí)候，舉個(gè)例子有個(gè)變量a初始值是1，要對其進(jìn)行a+=1這個(gè)操作可以細(xì)分成兩步，a+1 和a=a+1,比如兩個(gè)線程對a進(jìn)行操作，當(dāng)線程1拿到調(diào)度權(quán)的時(shí)候，對a進(jìn)行a+1操作，此時(shí)線程1交出了調(diào)度權(quán)，線程2獲取到的執(zhí)行的機(jī)會，同樣對a進(jìn)行操作，此時(shí)的a仍然是1，因?yàn)榫€程1只是做了加法運(yùn)算還沒有最終把a(bǔ)+1的值賦值給變量a的時(shí)候線程2便拿到了調(diào)度權(quán)，所以線程2做了一次完整的a+=1操作，a的值變成了2，這個(gè)時(shí)候線程2交出調(diào)度權(quán)，線程1拿到調(diào)度權(quán)繼續(xù)運(yùn)行最后的賦值操作，a的值為2。此時(shí)發(fā)現(xiàn)a做了兩次加法操作，但是最終的值是2，這便產(chǎn)生了臟數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問題引入線程鎖。

互斥鎖Lock

為了解決線程數(shù)據(jù)不安全性，引入互斥鎖概念，看如下例子：

在修改變量n的時(shí)候，先lock.acquire()給線程上鎖，這樣其他的線程便拿不到這個(gè)資源，當(dāng)完成對數(shù)據(jù)的操作后，lock.release()解鎖，其他線程便可以操作變量n，這樣便解決了原子性問題。

打印結(jié)果：使用10個(gè)線程對數(shù)字10000000進(jìn)行減法操作，如期得到最后的結(jié)果1。使用互斥鎖解決了線程數(shù)據(jù)不安全問題，避免了臟數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

RLock遞歸鎖

還有一種鎖RLock遞歸鎖，用法與lock鎖一樣，不同的是它支持嵌套，在多個(gè)鎖沒有釋放的時(shí)候，一般會使用RLock類。

信號量

用一句話說，信號量就是為了控制線程的并發(fā)數(shù)。

例如餐桌有三個(gè)位置，但是有10個(gè)人同時(shí)就餐，這時(shí)候就需要信號量參與保證餐桌上只有三個(gè)人，也就是線程的并發(fā)數(shù)始終是3。

觀察打印結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有三個(gè)線程在并發(fā)運(yùn)行，其他線程需要等待線程釋放之后才參與進(jìn)來。線程池也是為了控制線程的并發(fā)數(shù)。

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文章URL：http://www.bm7419.com/article20/dpcgco.html

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