并发编程之多线程

并发编程

• 并发（伪）：由于执行速度特别快，人感觉不到
• 并行（真）：创建10个人同时操作

线程

1. 单进程,单线程的应用程序
   • print('666')
2. 到底什么是线程？什么是进程
   • python自己没有这玩意，python中调用的操作系统的线程和进程（伪线程）
3. 多线程
   • 工作的最小单元
   • 共享进程中所有资源
   • 每个线程可以分担一点任务，最终完成最后的结果

python多线程原理：python的多线程实际是一个假的多线程（多个线程在1核cpu上运行，进行快速的切换导致错觉为同时执行）

代码

import threading
def func(arg):
    print(arg)
    
th = threading.thread(target=func)
th.start()
print('end')

一个应用程序：软件

• 默认一个程序只有一个进程
• 可以有多个进程（默认只有一个），一个进程可以创建多个线程（默认一个）。

python多线程情况下：

• 计算密集型操作：效率低（gil锁）
• io操作：效率高

python多进程情况下：

• 计算密集型操作：效率高（浪费空间）
• io操作：效率高（浪费资源）

以后写python时：

• io密集型用多线程：文件/输入输出/socket
• 计算密集型用多进程：

进程

• 独立开辟内存
• 进程之间的数据隔离

注意：进程是为了提供环境让线程工作

python中线程和进程（gil锁）

gil锁，全局解释器锁。用于限制一个进程中同一个时刻只有一个线程被cpu调度

扩展：默认gil锁在执行100个cpu指令后（过期时间）。

线程的使用

多线程基本使用

• 基础例子

import threading
def func(arg):
    print(arg)
    
th = threading.thread(target=func)
th.start()
print('end')

• 测试例子（主线程默认会先执行自己的代码，然后等子线程执行完毕后，才会结束）

import time
import threading

def func(arg):
    time.sleep(arg)
    print(arg)

t1 = threading.thread(target=func,args=(3,))
t1.start()

t2 = threading.thread(target=func,args=(9,))
t2.start()

print('end')

• jojn方法：

import time
import threading

def func(arg):
    time.sleep(3)
    print(arg)

print('开始执行t1')
t1 = threading.thread(target=func,args=(3,))
t1.start()
# 无参：让主线程等待，等到子线程t1执行完毕后，才能往下执行
# 有参：让主线程在这里最多等待n秒,无论执行完毕与否，会继续往下走
t1.join(2)

print('开始执行t2')
t2 = threading.thread(target=func,args=(9,))
t2.start()
t2.join()   # 让主线程等待，等到子线程t1执行完毕后，才能往下执行

print('end')

• 线程名称获取

import threading

def func(arg):
    # 获取当前执行该函数的线程的对象
    t = threading.current_thread()
    # 根据当前线程对象，获取当前线程名称
    name = t.getname()
    print(name,arg)

t1 = threading.thread(target=func,args=(3,))
t1.setname('mhy')
t1.start()

t2 = threading.thread(target=func,args=(9,))
t2.setname('zz')
t2.start()

print('end')

• 线程本质

# 先打印3还是end？
import threading

def func(arg):
    print(arg)

t1 = threading.thread(target=func,args=(3,))
# start是开始线程嘛？不是
# start是告诉cpu,我已准备就绪，你可以调度我了。
t1.start()

print('end')

• 面向对象式子多线程使用

import threading
class mythread(threading.thread):
    def run(self):
        print(123,self._args,self._kwargs)


t1 = mythread(args=(11,))
t1.start()

t2 = mythread(args=(12,))
t2.start()

• 计算密集型多线程（作用不大）

import threading
def func(lis,num):
    et = [i+num for i in lis]
    print(et)

t1 = threading.thread(target=func,args=([11,22,33],1))
t1.start()

t2 = threading.thread(target=func,args=([44,55,66],100))
t2.start()

• 实例代码

import threading
import time

#定义类继承thread线程
class codingthread(threading.thread):
    def run(self):
        for x in range(3):
            print('正在写代码%s' % threading.current_thread())
            time.sleep(1)

class drawingthread(threading.thread):
    def run(self):
        for x in range(3):
            print('正在画图%s' % threading.current_thread())
            time.sleep(1)

def main():
    t1 = codingthread()
    t2 = drawingthread()

    t1.start()
    t2.start()

if __name__ == '__main__':
    main()

线程安全（lock）

• 线程安全，多线程操作时，内部会让所有线程排队处理，如：list/dict/queue
• 线程不安全 + 人（lock） = 排队处理

简介：

python自带的解释器是cpython。cpython解释器的多线程实际上是一个假的多线程（在多核cpu中，只能利用一核，不能利用多核）。同一时刻只有一个线程在执行，为了保证同一时刻只有一个线程在执行，在cpython解释器中有一个东西叫做gil（global intepreter lock），叫做全局解释器锁。这个解释器锁是有必要的。因为cpython解释器的内存管理不是线程安全的。当然除了cpython解释器，还有其他的解释器，有些解释器是没有gil锁的，见下面：

1. jython：用java实现的python解释器。不存在gil锁。
2. ironpython：用.net实现的python解释器。不存在gil锁。
3. pypy：用python实现的python解释器。存在gil锁。

gil虽然是一个假的多线程。但是在处理一些io操作（比如文件读写和网络请求）还是可以在很大程度上提高效率的。在io操作上建议使用多线程提高效率。在一些cpu计算操作上不建议使用多线程，而建议使用多进程。

不安全例子

import time
import threading

lit = []
def func(arg):
    lit.append(arg)
    time.sleep(0.04)
    m = lit[-1]
    print(arg,m)  # m和arg应该是一个值

for num in range(10):
    t1 = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t1.start()

锁机制原理

多线程同时执行，会导致数据同时执行，获取数据不符合结果。

线程先获得执行权时，将会将执行过程锁起来，其他线程不能使用，必须要等该线程执行完，其他线程才可获取执行权，执行线程，将解决数据不统一的方法

lock 锁（一次放行一个）

import time
import threading

lit = []
lock = threading.lock()  # 创建一个锁

def func(arg):
    lock.acquire() # 将该行代码以下代码锁起来，直到遇到release释放
    lit.append(arg)
    time.sleep(0.04)
    m = lit[-1]
    print(arg,m)
    lock.release()  # 释放锁

for num in range(10):
    t1 = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t1.start()

rlock 递归锁（一次放行多个），

因为lock锁如果有多层锁机制，会造成死锁现象，所以有了rlock（递归锁）

代码如下：

import time
import threading

lit = []
lock = threading.rlock()  # 创建一个递归锁

def func(arg):
    # lock只能解开一个锁，会造成死锁线程
    # rlock可以解开两个锁,解决了下面问题
    lock.acquire() # 将该行代码以下代码锁起来，直到遇到release释放
    lock.acquire()
    lit.append(arg)
    time.sleep(0.04)
    m = lit[-1]
    print(arg,m)
    lock.release()  # 释放锁
    lock.release()  # 释放锁

for num in range(10):
    t1 = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t1.start()

boundedsemaphore(一次放n个)信号量

import time
import threading

# 创建一个锁，这个可以支持你同时进行几次锁，默认为1次
lock = threading.boundedsemaphore(3)

def func(arg):
    lock.acquire() 
    print(arg)
    time.sleep(1)
    lock.release()

for num in range(20):
    t = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t.start()

condition（1次放x个数）动态输入

lock版本的生产者与消费者模式可以正常的运行，但是存在一个不足，在消费者中，总是通过while true死循环并且上锁的方式去判断钱够不够，上锁是一个很耗费cpu资源的行为，因此这种方式不是最好的，还有一种更好的方式便是使用threading.condition来实现，threading.condition可以在没有数据的时候处于堵塞等待状态，一旦有合适的数据了，还可以使用notify相关的函数来通知其他处于等待状态的线程。这样可以不用做一些无用的上锁和解锁的操作。可以提高程序的性能。首先对threading.condition相关的函数做个介绍，threading.condition类似threading.lock，可以在修改全局数据的时候进行上锁，也可以在修改完毕后进行解锁。以下将一些常用的函数做个简单的介绍：

1. acquire：上锁
2. release：解锁
3. wait：将当前线程处于等待状态，并且会释放锁。可以被其他线程使用notify和notify_all函数唤醒。被唤醒后继续等待上锁，上锁后执行下面的代码。
4. notify：通知某个等待的线程，默认是第1个等待的线程。
5. notify_all：通知正在等待的线程。notify和notify_all不会释放锁。并且需要在release之前调用。

# 方法一
import time
import threading

# 创建一个锁，这个可以支持你同时进行几次锁，默认为1次
lock = threading.condition()

def func(arg):
    print('线程进来了')
    lock.acquire()
    lock.wait()

    print(arg)
    time.sleep(1)
    lock.release()

for num in range(3):
    t = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t.start()

while true:
    num = int(input('>>>:'))
    lock.acquire()
    lock.notify(num)
    lock.release()
    
# 方法二
import time
import threading

# 创建一个锁，这个可以支持你同时进行几次锁，默认为1次
lock = threading.condition()

def xxx():
    print('来执行函数了')
    input('>>>:')
    return true

def func(arg):
    print('线程进来了')
    lock.wait_for(xxx)
    print(arg)
    time.sleep(1)

for num in range(3):
    t = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t.start()

event（事件）1次放所有

import threading

# 创建一个锁，这个可以支持你同时进行几次锁，默认为1次
lock = threading.event()

def func(arg):
    print('线程进来了')
    lock.wait()  # 变红灯
    print(arg)

for num in range(10):
    t = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t.start()

input('>>>')
lock.set()   # 变绿灯
input('>>>')

# 重新回归 红灯状态
lock.clear()
for num in range(10):
    t = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t.start()

input('>>>')
lock.set()   # 变绿灯
input('>>>')

线程总结

线程安全：列表和字典就是线程安全；

为什么要加锁？

• 非线程安全
• 控制一段代码的时候，每次只能最多同时执行几个

threading.local

为每一个线程创建一个字典键值对，为数据进行隔离

示例代码：

import time
import threading

pond = threading.local()

def func(arg):
    # 内部会为当前线程创建一个空间用于存储，phone = 自己的值 ，将数据隔离开
    pond.phone = arg 
    time.sleep(2)
    # 取当前线程自己空间取值
    print(pond.phone,arg)  

for num in range(10):
    t = threading.thread(target=func,args=(num,))
    t.start()

线程池

使用concurrent来创建线程池，使用线程池可以有效的解决线程无止境的问题，用户每一次一个请求都会创建一个线程，这样线程一堆积也会造成程序缓慢，所以，线程池就可以帮我们解决这个问题，线程池可以设定，最多同时执行n个线程，由自己设定。

示例代码：

import time
from concurrent.futures import threadpoolexecutor

# 创建一个线程池，(最多同时执行5个线程)
pool = threadpoolexecutor(5)

def func(arg1,arg2):
    time.sleep(1)
    print(arg1,arg2)

for num in range(5):
    # 去线程池申请一个线程，让线程执行func函数
    pool.submit(func,num,8)

queue线程安全队列：

在线程中，访问一些全局变量，加锁是一个经常的过程。如果你是想把一些数据存储到某个队列中，那么python内置了一个线程安全的模块叫做queue模块。python中的queue模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括fifo（先进先出）队列queue，lifo（后入先出）队列lifoqueue。这些队列都实现了锁原语（可以理解为原子操作，即要么不做，要么都做完），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。相关的函数如下：

1. 初始化queue(maxsize)：创建一个先进先出的队列。
2. qsize()：返回队列的大小。
3. empty()：判断队列是否为空。
4. full()：判断队列是否满了。
5. get()：从队列中取最后一个数据。
6. put()：将一个数据放到队列中。

示例代码

 #encoding:utf-8

from queue import queue
import threading
import time

# q = queue(4)  # 添加4个队列
# q.put(10)   #第1个队列插入一条数据
# q.put(4)    #第2个队列插入一条数据

# for x in range(4):
#     q.put(x)
#
# for x in range(4):
#     print(q.get())
# print(q.empty())
# print(q.full())
# print(q.qsize())

def set_value(q):
    index = 0
    while true:
        q.put(index)
        index +=1
        time.sleep(2)
def get_value(q):
    while true:
        print(q.get())

def main():
    q = queue(4)
    t1 = threading.thread(target=set_value,args=[q])
    t2 = threading.thread(target=get_value,args=[q])

    t1.start()
    t2.start()

if __name__ == '__main__':
    main()

生产者消费者模型

模型三部件

• 生产者
  • 队列：先进先出
  • 栈：后进先出
• 消费者
• 队列

生产者和消费者模型解决了 不用一直等待的问题

使用queue创建队列

示例代码：

import time
import threading
from queue import queue

q = queue()

def producer(id):
    '''生产者'''
    while true:
        time.sleep(2)
        q.put('包子')
        print('厨师 %s 生产了一个包子'%id)

def consumer(id):
    '''消费者'''
    while true:
        time.sleep(1)
        v1 = q.get()
        print('顾客 %s 吃了一个包子'%id)

for produce in range(1,4):
    t1 = threading.thread(target=producer,args=(produce,))
    t1.start()

for consu in range(1,3):
    t2 = threading.thread(target=consumer,args=(consu,))
    t2.start()

总结：

1. 操作系统帮助开发者操作硬件
2. 程序员写好代码在操作系统上运行（依赖解释器）
3. 任务特别多。以前一个一个执行，(串行)，现在可以使用多线程

为什么创建线程？

• 由于线程是cpu工作的最小单元，创建线程可以利用多核优势实现并行操作(java,c#)

为啥创建进程？

• 进程和进程之间做数据隔离(java/c)

python

• python中存在一个gil锁。
  • 造成：多线程无法利用多核优势
  • 解决：开多进程处理(浪费资源)
  • 总结：
    • io密集型：多线程
    • 计算密集型：多进程
• 线程的创建
  • thread
  • 面向对象继承(threading.thread)
• 其他
  • jojn
  • setdeanon
  • setname
  • threading.current_thread()
• 锁
  • 获得
  • 释放