線程，有時(shí)被稱為輕量進(jìn)程，是程序執(zhí)行流的最小單元。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID，當(dāng)前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成。線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程不擁有私有的系統(tǒng)資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤消另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。

線程是程序中一個(gè)單一的順序控制流程。進(jìn)程內(nèi)有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、可調(diào)度的執(zhí)行單元，是系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派CPU的基本單位指令運(yùn)行時(shí)的程序的調(diào)度單位。在單個(gè)程序中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程完成不同的工作，稱為多線程。Python多線程用于I/O操作密集型的任務(wù)，如SocketServer網(wǎng)絡(luò)并發(fā)，網(wǎng)絡(luò)爬蟲。

現(xiàn)代處理器都是多核的，幾核處理器只能同時(shí)處理幾個(gè)線程，多線程執(zhí)行程序看起來(lái)是同時(shí)進(jìn)行，實(shí)際上是CPU在多個(gè)線程之間快速切換執(zhí)行，這中間就涉及到上下問(wèn)切換，所謂的上下文切換就是指一個(gè)線程Thread被分配的時(shí)間片用完了之后，線程的信息被保存起來(lái)，CPU執(zhí)行另外的線程，再到CPU讀取線程Thread的信息并繼續(xù)執(zhí)行Thread的過(guò)程。

線程模塊

Python的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了兩個(gè)模塊：_thread和threading。_thread 提供了低級(jí)別的、原始的線程以及一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖，它相比于 threading 模塊的功能還是比較有限的。Threading模塊是_thread模塊的替代，在實(shí)際的開發(fā)中，絕大多數(shù)情況下還是使用高級(jí)模塊threading，因此本書著重介紹threading高級(jí)模塊的使用。

Python創(chuàng)建Thread對(duì)象語(yǔ)法如下：

主要參數(shù)說(shuō)明：

• target 是函數(shù)名字，需要調(diào)用的函數(shù)。

• name 設(shè)置線程名字。

• args 函數(shù)需要的參數(shù)，以元祖( tuple)的形式傳入

• Thread對(duì)象主要方法說(shuō)明:

• run(): 用以表示線程活動(dòng)的方法。

• start():啟動(dòng)線程活動(dòng)。

• join(): 等待至線程中止。

• isAlive(): 返回線程是否活動(dòng)的。

• getName(): 返回線程名。

• setName(): 設(shè)置線程名。

Python中實(shí)現(xiàn)多線程有兩種方式：函數(shù)式創(chuàng)建線程和創(chuàng)建線程類。

第一種創(chuàng)建線程方式：

創(chuàng)建線程的時(shí)候，只需要傳入一個(gè)執(zhí)行函數(shù)和函數(shù)的參數(shù)即可完成threading.Thread實(shí)例的創(chuàng)建。下面的例子使用Thread類來(lái)產(chǎn)生2個(gè)子線程，然后啟動(dòng)2個(gè)子線程并等待其結(jié)束，

import threading
import time,random,math
# idx 循環(huán)次數(shù)
def printNum(idx):
    for num in range(idx ):
#打印當(dāng)前運(yùn)行的線程名字
        print('{0}\tnum={1}'.format(threading.current_thread().getName(), num) )
        delay = math.ceil(random.random() * 2)
        time.sleep(delay)
if __name__ == '__main__':
    th1 = threading.Thread(target=printNum, args=(2,),name='thread1'  )
    th2 = threading.Thread(target=printNum, args=(3,),name='thread2' )
#啟動(dòng)2個(gè)線程
th1.start()
    th2.start()
#等待至線程中止
    th1.join()
    th2.join()
    print('{0} 線程結(jié)束'.format(threading.current_thread().getName()))

運(yùn)行腳本得到以下結(jié)果。

運(yùn)行腳本默認(rèn)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程，把該線程稱為主線程，主線程有可以啟動(dòng)新的線程，Python的threading模塊有個(gè)current_thread()函數(shù)，它將返回當(dāng)前線程的示例。從當(dāng)前線程的示例可以獲得前運(yùn)行線程名字，核心代碼如下。

threading.current_thread().getName()

啟動(dòng)一個(gè)線程就是把一個(gè)函數(shù)和參數(shù)傳入并創(chuàng)建Thread實(shí)例，然后調(diào)用start()開始執(zhí)行

從返回結(jié)果可以看出主線程示例的名字叫MainThread，子線程的名字在創(chuàng)建時(shí)指定,本例創(chuàng)建了2個(gè)子線程，名字叫thread1和thread2。如果沒(méi)有給線程起名字，Python就自動(dòng)給線程命名為Thread-1,Thread-2…等等。在本例中定義了線程函數(shù)printNum(),打印idx次記錄后退出，每次打印使用time.sleep()讓程序休眠一段時(shí)間。

第二種創(chuàng)建線程方式：創(chuàng)建線程類

直接創(chuàng)建threading.Thread的子類來(lái)創(chuàng)建一個(gè)線程對(duì)象,實(shí)現(xiàn)多線程。通過(guò)繼承Thread類，并重寫Thread類的run()方法，在run()方法中定義具體要執(zhí)行的任務(wù)。在Thread類中，提供了一個(gè)start()方法用于啟動(dòng)新進(jìn)程，線程啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)調(diào)用run()方法。

import threading
import time,random,math
class MutliThread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadName,num):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.name = threadName
        self.num = num
    def run(self):
        for i in range(self.num):
            print('{0} i={1}'.format(threading.current_thread().getName(), i))
            delay = math.ceil(random.random() * 2)
            time.sleep(delay)
if __name__ == '__main__':
    thr1 = MutliThread('thread1',3)
    thr2 = MutliThread('thread2',2)
    # 啟動(dòng)線程
    thr1.start()
    thr2.start()
    # 等待至線程中止
    thr1.join()
    thr2.join()
    print('{0} 線程結(jié)束'.format(threading.current_thread().getName()))

運(yùn)行腳本得到以下結(jié)果。

從返回結(jié)果可以看出，通過(guò)創(chuàng)建Thread類來(lái)產(chǎn)生2個(gè)線程對(duì)象thr1和thr2，重寫Thread類的run()函數(shù)，把業(yè)務(wù)邏輯放入其中，通過(guò)調(diào)用線程對(duì)象的start()方法啟動(dòng)線程。通過(guò)調(diào)用線程對(duì)象的join()函數(shù)，等待該線程完成，在繼續(xù)下面的操作。

在本例中，主線程MainThread等待子線程thread1和thread2線程運(yùn)行結(jié)束后才輸出” MainThread 線程結(jié)束”。如果子線程thread1和thread2不調(diào)用join()函數(shù)，那么主線程MainThread和2個(gè)子線程是并行執(zhí)行任務(wù)的，2個(gè)子線程加上join()函數(shù)后，程序就變成順序執(zhí)行了。所以子線程用到j(luò)oin()的時(shí)候，通常都是主線程等到其他多個(gè)子線程執(zhí)行完畢后再繼續(xù)執(zhí)行，其他的多個(gè)子線程并不需要互相等待。

守護(hù)線程

在線程模塊中，使用子線程對(duì)象用到j(luò)oin()函數(shù)，主線程需要依賴子線程執(zhí)行完畢后才繼續(xù)執(zhí)行代碼。如果子線程不使用join()函數(shù)，主線程和子線程是并行運(yùn)行的，沒(méi)有依賴關(guān)系，主線程執(zhí)行了，子線程也在執(zhí)行。

在多線程開發(fā)中，如果子線程設(shè)定為了守護(hù)線程，守護(hù)線程會(huì)等待主線程運(yùn)行完畢后被銷毀。一個(gè)主線程可以設(shè)置多個(gè)守護(hù)線程，守護(hù)線程運(yùn)行的前提是，主線程必須存在，如果主線程不存在了，守護(hù)線程會(huì)被銷毀。

在本例中創(chuàng)建1個(gè)主線程3個(gè)子線程，讓主線程和子線程并行執(zhí)行。內(nèi)容如下。

import threading, time
def run(taskName):
    print('任務(wù):', taskName)
    time.sleep(2)
    print('{0} 任務(wù)執(zhí)行完畢'.format(taskName))  # 查看每個(gè)子線程
if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    for i in range(3):
        thr = threading.Thread(target=run, args=('task-{0}'.format(i),))
        # 把子線程設(shè)置為守護(hù)線程
        thr.setDaemon(True)
        thr.start()
    # 查看主線程和當(dāng)前活動(dòng)的所有線程數(shù)
    print('{0}線程結(jié)束，當(dāng)線程數(shù)量={1}'.format( threading.current_thread().getName(), threading.active_count()))
    print('消耗時(shí)間:', time.time() - start_time)
。

運(yùn)行腳本得到以下結(jié)果：

從返回結(jié)果可以看出，當(dāng)前的線程個(gè)數(shù)是4，線程個(gè)數(shù)=主線程數(shù) 子線程數(shù)，在本例中有1個(gè)主線程和3個(gè)子線程。主線程執(zhí)行完畢后，等待子線程執(zhí)行完畢，程序才會(huì)退出。

在本例的基礎(chǔ)上，把所有的子線程都設(shè)置為守護(hù)線程。子線程變成守護(hù)線程后，只要主線程執(zhí)行完畢，程序不管子線程有沒(méi)有執(zhí)行完畢，程序都會(huì)退出。使用線程對(duì)象的setDaemon(True)函數(shù)來(lái)設(shè)置守護(hù)線程。

import threading, time
def run(taskName):
    print('任務(wù):', taskName)
    time.sleep(2)
    print('{0} 任務(wù)執(zhí)行完畢'.format(taskName))
if __name__ == '__main__':
    start_time = time.time()
    for i in range(3):
        thr = threading.Thread(target=run, args=('task-{0}'.format(i),))
        # 把子線程設(shè)置為守護(hù)線程，在啟動(dòng)線程前設(shè)置
thr.setDaemon(True)
        thr.start()
    # 查看主線程和當(dāng)前活動(dòng)的所有線程數(shù)
    thrName = threading.current_thread().getName()
    thrCount = threading.active_count()
    print('{0}線程結(jié)束，當(dāng)線程數(shù)量={1}'.format(thrName, thrCount))
    print('消耗時(shí)間:', time.time() - start_time)

運(yùn)行腳本得到以下結(jié)果。

從本例的返回結(jié)果可以看出，主線程執(zhí)行完畢后，程序不會(huì)等待守護(hù)線程執(zhí)行完畢后就退出了。設(shè)置線程對(duì)象為守護(hù)線程，一定要在線程對(duì)象調(diào)用start()函數(shù)前設(shè)置。

多線程的鎖機(jī)制

多線程編程訪問(wèn)共享變量時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但是多進(jìn)程編程訪問(wèn)共享變量不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因?yàn)槎噙M(jìn)程中，同一個(gè)變量各自有一份拷貝存在于每個(gè)進(jìn)程中，互不影響，而多線程中，所有變量都由所有線程共享。

多個(gè)進(jìn)程之間對(duì)內(nèi)存中的變量不會(huì)產(chǎn)生沖突，一個(gè)進(jìn)程由多個(gè)線程組成，多線程對(duì)內(nèi)存中的變量進(jìn)行共享時(shí)會(huì)產(chǎn)生影響，所以就產(chǎn)生了死鎖問(wèn)題，怎么解決死鎖問(wèn)題是本節(jié)主要介紹的內(nèi)容。

1、變量的作用域

一般在函數(shù)體外定義的變量稱為全局變量，在函數(shù)內(nèi)部定義的變量稱為局部變量。全局變量所有作用域都可讀，局部變量只能在本函數(shù)可讀。函數(shù)在讀取變量時(shí)，優(yōu)先讀取函數(shù)本身自有的局部變量，再去讀全局變量。 
內(nèi)容如下。

運(yùn)行腳本得到以下結(jié)果。

change() balance=100
修改后的 balance=100

如果注釋掉change()函數(shù)里的 global

在本例中在change()函數(shù)外定義的變量balance是全局變量，在change()函數(shù)內(nèi)定義的變量num是局部變量，全局變量默認(rèn)是可讀的，可以在任何函數(shù)中使用，如果需要改變?nèi)肿兞康闹担枰诤瘮?shù)內(nèi)部使用global定義全局變量，本例中在change()函數(shù)內(nèi)部使用global定義全局變量balance,在函數(shù)里就可以改變?nèi)肿兞苛恕?/p>

在函數(shù)里可以使用全局變量，但是在函數(shù)里不能改變?nèi)肿兞?。想?shí)現(xiàn)多個(gè)線程共享變量，需要使用全局變量。在方法里加上全局關(guān)鍵字 global定義全局變量，多線程才可以修改全局變量來(lái)共享變量。

2、多線程中的鎖

多線程同時(shí)修改全局變量時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，線程不安全就是不提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)保護(hù)，有可能出現(xiàn)多個(gè)線程先后更改數(shù)據(jù)造成所得到的數(shù)據(jù)是臟數(shù)據(jù)。在本例中我們生成2個(gè)線程同時(shí)修改change()函數(shù)里的全局變量balance時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

本案例文件名為PythonFullStack\Chapter03\threadDemo03.py，內(nèi)容如下。

import threading
balance = 100
def change(num, counter):
    global balance
    for i in range(counter):
        balance  = num
        balance -= num
        if balance != 100:
            # 如果輸出這句話，說(shuō)明線程不安全
            print('balance=%d' % balance)
break
if __name__ == '__main__':
    thr1 = threading.Thread(target=change,args=(100,500000),name='t1')
    thr2 = threading.Thread(target=change,args=(100,500000),name='t2')
    thr1.start()
    thr2.start()
    thr1.join()
    thr2.join()
    print('{0} 線程結(jié)束'.format(threading.current_thread().getName()))

運(yùn)行以上腳本，當(dāng)2個(gè)線程運(yùn)行次數(shù)達(dá)到500000次時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下結(jié)果。

在本例中定義了一個(gè)全局變量balance,初始值為100，當(dāng)啟動(dòng)2個(gè)線程后，先加后減，理論上balance應(yīng)該為100。線程的調(diào)度是由操作系統(tǒng)決定的，當(dāng)線程t1和t2交替執(zhí)行時(shí)，只要循環(huán)次數(shù)足夠多，balance結(jié)果就不一定是100了。從結(jié)果可以看出，在本例中線程t1和t2同時(shí)修改全局變量balance時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

注意

在多線程情況下，所有的全局變量有所有線程共享。所以，任何一個(gè)變量都可以被任何一個(gè)線程修改，因此，線程之間共享數(shù)據(jù)最大的危險(xiǎn)在于多個(gè)線程同時(shí)改一個(gè)變量，把內(nèi)容給改亂了。

在多線程情況下，使用全局變量并不會(huì)共享數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。線程安全就是多線程訪問(wèn)時(shí)，采用了加鎖機(jī)制，當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)該類的某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行保護(hù)，其他線程不能進(jìn)行訪問(wèn)直到該線程讀取完，其他線程才可使用。不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致

在單線程運(yùn)行時(shí)沒(méi)有代碼安全問(wèn)題。寫多線程程序時(shí)，生成一個(gè)線程并不代表多線程。在多線程情況下，才會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。

針對(duì)線程安全問(wèn)題，需要使用”互斥鎖”，就像數(shù)據(jù)庫(kù)里操縱數(shù)據(jù)一樣，也需要使用鎖機(jī)制。某個(gè)線程要更改共享數(shù)據(jù)時(shí)，先將其鎖定，此時(shí)資源的狀態(tài)為“鎖定”，其他線程不能更改；直到該線程釋放資源，將資源的狀態(tài)變成“非鎖定”，其他的線程才能再次鎖定該資源?；コ怄i保證了每次只有一個(gè)線程進(jìn)行寫入操作，從而保證了多線程情況下數(shù)據(jù)的正確性。

互斥鎖的核心代碼如下：

# 創(chuàng)建鎖
mutex = threading.Lock()
# 鎖定
mutex.acquire()
# 釋放
mutex.release()

如果要確保balance計(jì)算正確，使用threading.Lock()來(lái)創(chuàng)建鎖對(duì)象lock，把 lock.acquire()和lock.release()加在同步代碼塊里，本例的同步代碼塊就是對(duì)全局變量balance進(jìn)行先加后減操作。

當(dāng)某個(gè)線程執(zhí)行change()函數(shù)時(shí)，通過(guò)lock.acquire()獲取鎖，那么其他線程就不能執(zhí)行同步代碼塊了，只能等待知道鎖被釋放了，獲得鎖才能執(zhí)行同步代碼塊。由于鎖只有一個(gè)，無(wú)論多少線程，同一個(gè)時(shí)刻最多只有一個(gè)線程持有該鎖，所以修改全局變量balance不會(huì)產(chǎn)生沖突。改良后的代碼內(nèi)容如下。

在本例中2個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行l(wèi)ock.acquire()時(shí)，只有一個(gè)線程能成功的獲取鎖，然后執(zhí)行代碼，其他線程就繼續(xù)等待直到獲得鎖位置。獲得鎖的線程用完后一定要釋放鎖，否則其他線程就會(huì)一直等待下去，成為死線程。

在運(yùn)行上面腳本就不會(huì)產(chǎn)生輸出信息，證明代碼是安全的。把 lock.acquire()和lock.release()加在同步代碼塊里，還要注意鎖的力度不要加的太大了。第一個(gè)線程只有運(yùn)行完了，第二個(gè)線程才能運(yùn)行，所以鎖要在需要同步代碼里加上。

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