Python進階必備：線程模塊threading

1. 戲說線程和進程

對于新手來說，首先要理解線程的概念，以及為什么需要線程編程。什么是線程呢？網上一般是這樣定義的：線程（thread）是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，它被包含在進程之中，是進程中的實際運作單位。哈哈，你聽懂了嗎？我覺得這樣的定義純粹是自說自話：新手看完了一臉懵逼，老鳥看完了不以為然。咱們還是用白話解釋一下吧：

假定你經營著一家物業管理公司。最初，業務量很小，事事都需要你親力親為，給老張家修完暖氣管道，立馬再去老李家換電燈泡——這叫單線程，所有的工作都得順序執行。

后來業務拓展了，你雇傭了幾個工人，這樣，你的物業公司就可以同時為多戶人家提供服務了——這叫多線程，你是主線程。

工人們使用的工具，是物業管理公司提供的，大家共享——這叫多線程資源共享。

工人們在工作中都需要管鉗，可是管鉗只有一把——這叫沖突。解決沖突的辦法有很多，比如排隊、等同事用完后的微信通知等——這叫線程同步。

業務不忙的時候，你就在辦公室喝喝茶。下班時間一到，你群發微信，所有的工人不管手頭的工作是否完成，都立馬撂下工具，跟你走人。因此如果有必要，你得避免不要在工人正忙著的時候發下班的通知——這叫線程守護屬性設置和管理。

再后來，你的公司規模擴大了，同時為很多生活社區服務，你在每個生活社區設置了分公司，分公司由分公司經理管理，運營機制和你的總公司幾乎一模一樣——這叫多進程，總公司叫主進程，分公司叫子進程。

總公司以及各個分公司之間，工具都是獨立的，不能借用、混用——這叫進程間不能共享資源。各個分公司之間可以通過專線電話聯系——這叫管道。各個分公司之間還可以通過公司公告欄交換信息——這叫共享內存。

分公司可以跟著總公司一起下班，也可以把當天的工作全部做完之后再下班——這叫守護進程設置。

Python 提供了多個模塊來支持多線程編程，包括 thread、 threading 和 Queue 模塊等。程序是可以使用 thread 和 threading 模塊來創建與管理線程。 thread 模塊提供了基本的線程和鎖定支持；而 threading 模塊提供了更高級別、功能更全面的線程管理。我們在這里只討論 threading 模塊。

2. 創建并使用線程

使用 threading 模塊的 Thread 類，可以快速創建并啟動線程。當然，創建線程之前，你得先把交給線程去做的工作，寫成一個函數，我們管這個函數叫線程函數。

threading.Thread 類有以下方法和屬性：

我們設計一個任務：你（主線程）啟動3個子線程，名字分別是A、B、C。其中A線程啟動后，你要先觀察5秒鐘，再啟動其他線程。每個子線程的任務是每隔指定時間間隔就向你問好，并報上自己的名字，你呢，只管睡覺。20秒后，你醒了。你逐一檢查了各個子線程的工作狀態之后，結束運行。下面是實現代碼：

import time import threading def hello(name, t): """線程函數""" for i in range(10): print('Hello, 我是小%s'%name) time.sleep(t) def demo(): A = threading.Thread(target=hello, args=('A',1), name='A') B = threading.Thread(target=hello, args=('B',2), name='B') C = threading.Thread(target=hello, args=('C',3), name='C') #C.setDaemon(True) # 設置子線程在主線程結束時是否無條件跟隨主線程一起退出 A.start() A.join(5) # 等待A線程結束，若5秒鐘后未結束,則代碼繼續 B.start() C.start() time.sleep(20) print('進程A%s'%('還在工作中' if A.isAlive() else '已經結束工作',)) print('進程B%s'%('還在工作中' if B.isAlive() else '已經結束工作',)) print('進程C%s'%('還在工作中' if C.isAlive() else '已經結束工作',)) print('下班了。。。') if __name__ == '__main__': demo()

但是，運行這段代碼，你會發，當你喊下班的時候，小C并沒有立刻撂下手頭的活兒跟你走人，而是做完了工作之后才跟你走人——或者說，是你在等他做完工作后一起走人。這里容易產生誤會，以為主線程結束后，子線程還會工作到任務完成。這是錯誤的理解。真相是，主線程不忍心打斷正在忙碌的子線程（active），一旦該子線程休眠（inactive），不管任務是否結束，都會被主線程直接帶走。

那么如何令子線程在主線程結束時無條件跟隨主線程一起走人呢？很簡單，在線程 start() 之前，使用 setDaemon(True) 設置該線程為守護線程就可以了。子線程的 daemon 屬性默認為 False。

3. 線程同步

3.1 線程鎖 Lock

前幾天，我想在一個幾百人的微信群里統計喜歡吃蘋果的人數。有人說，大家從1開始報數吧，并敲了起始數字1，立馬有人敲了數字2，3。但是統計很快就進行不下去了，因為大家發現，有好幾個人敲4，有更多的人敲5。

這就是典型的資源競爭沖突：統計用的計數器就是唯一的資源，很多人（子線程）都想取得寫計數器的資格。怎么辦呢？Lock（互斥鎖）就是一個很好的解決方案。Lock只能有一個線程獲取，獲取該鎖的線程才能執行，否則阻塞；執行完任務后，必須釋放鎖。

請看演示代碼：

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading lock = threading.Lock() # 創建互斥鎖 counter = 0 # 計數器 def hello(): """線程函數""" global counter if lock.acquire(): # 請求互斥鎖，如果被占用，則阻塞，直至獲取到鎖 time.sleep(0.2) # 假裝思考、敲鍵盤需要0.2秒鐘 counter += 1 print('我是第%d個'%counter) lock.release() # 千萬不要忘記釋放互斥鎖，否則后果很嚴重 def demo(): threads = list() for i in range(30): # 假設群里有30人，都喜歡吃蘋果 threads.append(threading.Thread(target=hello)) threads[-1].start() for t in threads: t.join() print('統計完畢，共有%d人'%counter) if __name__ == '__main__': demo()

除了互斥鎖，線程鎖還有另一種形式，叫做遞歸鎖（RLock），又稱可重入鎖。已經獲得遞歸鎖的線程可以繼續多次獲得該鎖，而不會被阻塞，釋放的次數必須和獲取的次數相同才會真正釋放該鎖。欲了解詳情，同學們可以自行檢索資料。

3.2 信號量 Semaphore

上面的例子中，統計用的計數器是唯一的資源，因此使用了只能被一個線程獲取的互斥鎖。假如共享的資源有多個，多線程競爭時一般使用信號量（Semaphore）同步。信號量有一個初始值，表示當前可用的資源數，多線程執行過程中會通過 acquire() 和 release() 操作，動態的加減信號量。比如，有30個工人都需要電錘，但是電錘總共只有5把。使用信號量（Semaphore）解決競爭的代碼如下：

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading S = threading.Semaphore(5) # 有5把電錘可供使用 def us_hammer(id): """線程函數""" S.acquire() # P操作，阻塞式請求電錘， time.sleep(0.2) print('%d號剛剛用完電錘'%id) S.release() # V操作，釋放資源（信號量加1） def demo(): threads = list() for i in range(30): # 有30名工人要求使用電錘 threads.append(threading.Thread(target=us_hammer, args=(i,))) threads[-1].start() for t in threads: t.join() print('所有線程工作結束') if __name__ == '__main__': demo()

3.3 事件Event

想象我們每天早上上班的場景：為了不遲到，總得提前幾分鐘（我一般都會提前30分鐘）到辦公室，打卡之后，一看表，還不到工作時間，大家就看看新聞、聊聊天啥的；工作時間一到，立馬開工。如果有人遲到了呢，自然就不能看新聞聊天了，得立即投入工作中。

這個場景中，每個人代表一個線程，工作時間到，表示事件(Event)發生。事件發生前，線程會調用 wait() 方法阻塞自己（對應看新聞聊天），一旦事件發生，會喚醒所有調用 wait() 而進入阻塞狀態的線程。

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading E = threading.Event() # 創建事件 def work(id): """線程函數""" print('<%d號員工>上班打卡'%id) if E.is_set(): # 已經到點了 print('<%d號員工>遲到了'%id) else: # 還不到點 print('<%d號員工>瀏覽新聞中...'%id) E.wait() # 等上班鈴聲 print('<%d號員工>開始工作了...'%id) time.sleep(10) # 工作10秒后下班 print('<%d號員工>下班了'%id) def demo(): E.clear() # 設置為“未到上班時間” threads = list() for i in range(3): # 3人提前來到公司打卡 threads.append(threading.Thread(target=work, args=(i,))) threads[-1].start() time.sleep(5) # 5秒鐘后上班時間到 E.set() time.sleep(5) # 5秒鐘后,大佬(9號)到 threads.append(threading.Thread(target=work, args=(9,))) threads[-1].start() for t in threads: t.join() print('都下班了，關燈關門走人') if __name__ == '__main__': demo()

3.4 條件 Condition

兩位小朋友，Hider 和 Seeker，打算玩一個捉迷藏的游戲，規則是這樣的：Seeker 先找個眼罩把眼蒙住，喊一聲“我已經蒙上眼了”；聽到消息后，Hider 就找地方藏起來，藏好以后，也要喊一聲“我藏好了，你來找我吧”；Seeker 聽到后，也要回應一聲“我來了”，捉迷藏正式開始。各自隨機等了一段時間后，兩位小朋友都憋住了跑了出來。誰先跑出來，就算誰輸。

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading import random cond = threading.Condition() # 創建條件對象 draw_Seeker = False # Seeker小朋友認輸 draw_Hidwer = False # Hider小朋友認輸 def seeker(): """Seeker小朋友的線程函數""" global draw_Seeker, draw_Hidwer time.sleep(1) # 確保Hider小朋友已經進入消息等待狀態 cond.acquire() # 阻塞時請求資源 time.sleep(random.random()) # 假裝蒙眼需要花費時間 print('Seeker: 我已經蒙上眼了') cond.notify() # 把消息通知到Hider小朋友 cond.wait() # 釋放資源并等待Hider小朋友已經藏好的消息 print('Seeker: 我來了') # 收到Hider小朋友已經藏好的消息后 cond.notify() # 把消息通知到Hider小朋友 cond.release() # 不要再聽消息了，徹底釋放資源 time.sleep(random.randint(3,10)) # Seeker小朋友的耐心只有3-10秒鐘 if draw_Hidwer: print('Seeker: 哈哈，我找到你了，我贏了') else: draw_Seeker = True print('Seeker: 算了，我找不到你，我認輸啦') def hider(): """Hider小朋友的線程函數""" global draw_Seeker, draw_Hidwer cond.acquire() # 阻塞時請求資源 cond.wait() # 如果先于Seeker小朋友請求到資源，則立刻釋放并等待 time.sleep(random.random()) # 假裝找地方躲藏需要花費時間 print('Hider: 我藏好了，你來找我吧') cond.notify() # 把消息通知到Seeker小朋友 cond.wait() # 釋放資源并等待Seeker小朋友開始找人的消息 cond.release() # 不要再聽消息了，徹底釋放資源 time.sleep(random.randint(3,10)) # Hider小朋友的耐心只有3-10秒鐘 if draw_Seeker: print('Hider: 哈哈，你沒找到我，我贏了') else: draw_Hidwer = True print('Hider: 算了，這里太悶了，我認輸，自己出來吧') def demo(): th_seeker = threading.Thread(target=seeker) th_hider = threading.Thread(target=hider) th_seeker.start() th_hider.start() th_seeker.join() th_hider.join() if __name__ == '__main__': demo()

Python 任務調度

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