Python線程詳解

更新時間：2015年06月24日 11:17:11 投稿：junjie

這篇文章主要介紹了Python線程詳解,本文詳細(xì)講解了線程方方面面的知識,如線程基礎(chǔ)知識線程狀態(tài)、線程同步（鎖）、線程通信（條件變量）等內(nèi)容,需要的朋友可以參考下

1. 線程基礎(chǔ)

1.1. 線程狀態(tài)

線程有5種狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程如下圖所示：

1.2. 線程同步（鎖）

多線程的優(yōu)勢在于可以同時運行多個任務(wù)（至少感覺起來是這樣）。但是當(dāng)線程需要共享數(shù)據(jù)時，可能存在數(shù)據(jù)不同步的問題?？紤]這樣一種情況：一個列表里所有元素都是0，線程"set"從后向前把所有元素改成1，而線程"print"負(fù)責(zé)從前往后讀取列表并打印。那么，可能線程"set"開始改的時候，線程"print"便來打印列表了，輸出就成了一半0一半1，這就是數(shù)據(jù)的不同步。為了避免這種情況，引入了鎖的概念。

鎖有兩種狀態(tài)——鎖定和未鎖定。每當(dāng)一個線程比如"set"要訪問共享數(shù)據(jù)時，必須先獲得鎖定；如果已經(jīng)有別的線程比如"print"獲得鎖定了，那么就讓線程"set"暫停，也就是同步阻塞；等到線程"print"訪問完畢，釋放鎖以后，再讓線程"set"繼續(xù)。經(jīng)過這樣的處理，打印列表時要么全部輸出0，要么全部輸出1，不會再出現(xiàn)一半0一半1的尷尬場面。

線程與鎖的交互如下圖所示：

1.3. 線程通信（條件變量）

然而還有另外一種尷尬的情況：列表并不是一開始就有的；而是通過線程"create"創(chuàng)建的。如果"set"或者"print" 在"create"還沒有運行的時候就訪問列表，將會出現(xiàn)一個異常。使用鎖可以解決這個問題，但是"set"和"print"將需要一個無限循環(huán)——他們不知道"create"什么時候會運行，讓"create"在運行后通知"set"和"print"顯然是一個更好的解決方案。于是，引入了條件變量。

條件變量允許線程比如"set"和"print"在條件不滿足的時候（列表為None時）等待，等到條件滿足的時候（列表已經(jīng)創(chuàng)建）發(fā)出一個通知，告訴"set" 和"print"條件已經(jīng)有了，你們該起床干活了；然后"set"和"print"才繼續(xù)運行。

線程與條件變量的交互如下圖所示：

1.4. 線程運行和阻塞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
最后看看線程運行和阻塞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

阻塞有三種情況：

同步阻塞是指處于競爭鎖定的狀態(tài)，線程請求鎖定時將進(jìn)入這個狀態(tài)，一旦成功獲得鎖定又恢復(fù)到運行狀態(tài)；
等待阻塞是指等待其他線程通知的狀態(tài)，線程獲得條件鎖定后，調(diào)用“等待”將進(jìn)入這個狀態(tài)，一旦其他線程發(fā)出通知，線程將進(jìn)入同步阻塞狀態(tài)，再次競爭條件鎖定；
而其他阻塞是指調(diào)用time.sleep()、anotherthread.join()或等待IO時的阻塞，這個狀態(tài)下線程不會釋放已獲得的鎖定。

tips: 如果能理解這些內(nèi)容，接下來的主題將是非常輕松的；并且，這些內(nèi)容在大部分流行的編程語言里都是一樣的。（意思就是非看懂不可 >_< 嫌作者水平低找別人的教程也要看懂）

2. thread

Python通過兩個標(biāo)準(zhǔn)庫thread和threading提供對線程的支持。thread提供了低級別的、原始的線程以及一個簡單的鎖。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import thread

import time

# 一個用于在線程中執(zhí)行的函數(shù)

def func():

    for i in range(5):

        print 'func'

        time.sleep(1)

    # 結(jié)束當(dāng)前線程

    # 這個方法與thread.exit_thread()等價

    thread.exit() # 當(dāng)func返回時，線程同樣會結(jié)束

# 啟動一個線程，線程立即開始運行

# 這個方法與thread.start_new_thread()等價

# 第一個參數(shù)是方法，第二個參數(shù)是方法的參數(shù)

thread.start_new(func, ()) # 方法沒有參數(shù)時需要傳入空tuple

# 創(chuàng)建一個鎖（LockType，不能直接實例化）

# 這個方法與thread.allocate_lock()等價

lock = thread.allocate()

# 判斷鎖是鎖定狀態(tài)還是釋放狀態(tài)

print lock.locked()

# 鎖通常用于控制對共享資源的訪問

count = 0

# 獲得鎖，成功獲得鎖定后返回True

# 可選的timeout參數(shù)不填時將一直阻塞直到獲得鎖定

# 否則超時后將返回False

if lock.acquire():

    count += 1

    # 釋放鎖

    lock.release()

# thread模塊提供的線程都將在主線程結(jié)束后同時結(jié)束

time.sleep(6)

thread 模塊提供的其他方法：

thread.interrupt_main(): 在其他線程中終止主線程。
thread.get_ident(): 獲得一個代表當(dāng)前線程的魔法數(shù)字，常用于從一個字典中獲得線程相關(guān)的數(shù)據(jù)。這個數(shù)字本身沒有任何含義，并且當(dāng)線程結(jié)束后會被新線程復(fù)用。

thread還提供了一個ThreadLocal類用于管理線程相關(guān)的數(shù)據(jù)，名為 thread._local，threading中引用了這個類。

由于thread提供的線程功能不多，無法在主線程結(jié)束后繼續(xù)運行，不提供條件變量等等原因，一般不使用thread模塊，這里就不多介紹了。

3. threading

threading基于Java的線程模型設(shè)計。鎖（Lock）和條件變量（Condition）在Java中是對象的基本行為（每一個對象都自帶了鎖和條件變量），而在Python中則是獨立的對象。Python Thread提供了Java Thread的行為的子集；沒有優(yōu)先級、線程組，線程也不能被停止、暫停、恢復(fù)、中斷。Java Thread中的部分被Python實現(xiàn)了的靜態(tài)方法在threading中以模塊方法的形式提供。

threading 模塊提供的常用方法：

threading.currentThread(): 返回當(dāng)前的線程變量。
threading.enumerate(): 返回一個包含正在運行的線程的list。正在運行指線程啟動后、結(jié)束前，不包括啟動前和終止后的線程。
threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數(shù)量，與len(threading.enumerate())有相同的結(jié)果。

threading模塊提供的類：

Thread, Lock, Rlock, Condition, [Bounded]Semaphore, Event, Timer, local.

3.1. Thread

Thread是線程類，與Java類似，有兩種使用方法，直接傳入要運行的方法或從Thread繼承并覆蓋run()：

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

# 方法1：將要執(zhí)行的方法作為參數(shù)傳給Thread的構(gòu)造方法

def func():

    print 'func() passed to Thread'

t = threading.Thread(target=func)

t.start()

# 方法2：從Thread繼承，并重寫run()

class MyThread(threading.Thread):

    def run(self):

        print 'MyThread extended from Thread'

t = MyThread()

t.start()

構(gòu)造方法：

Thread(group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={})
group: 線程組，目前還沒有實現(xiàn)，庫引用中提示必須是None；
target: 要執(zhí)行的方法；
name: 線程名；
args/kwargs: 要傳入方法的參數(shù)。

實例方法：

isAlive(): 返回線程是否在運行。正在運行指啟動后、終止前。
get/setName(name): 獲取/設(shè)置線程名。
is/setDaemon(bool): 獲取/設(shè)置是否守護(hù)線程。初始值從創(chuàng)建該線程的線程繼承。當(dāng)沒有非守護(hù)線程仍在運行時，程序?qū)⒔K止。
start(): 啟動線程。
join([timeout]): 阻塞當(dāng)前上下文環(huán)境的線程，直到調(diào)用此方法的線程終止或到達(dá)指定的timeout（可選參數(shù)）。

一個使用join()的例子：

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

import time

def context(tJoin):

    print 'in threadContext.'

    tJoin.start()

    # 將阻塞tContext直到threadJoin終止。

    tJoin.join()

    # tJoin終止后繼續(xù)執(zhí)行。

    print 'out threadContext.'

def join():

    print 'in threadJoin.'

    time.sleep(1)

    print 'out threadJoin.'

tJoin = threading.Thread(target=join)

tContext = threading.Thread(target=context, args=(tJoin,))

tContext.start()

運行結(jié)果：

復(fù)制代碼代碼如下:

in threadContext. 

in threadJoin. 

out threadJoin. 

out threadContext.

3.2. Lock

Lock（指令鎖）是可用的最低級的同步指令。Lock處于鎖定狀態(tài)時，不被特定的線程擁有。Lock包含兩種狀態(tài)——鎖定和非鎖定，以及兩個基本的方法。

可以認(rèn)為Lock有一個鎖定池，當(dāng)線程請求鎖定時，將線程至于池中，直到獲得鎖定后出池。池中的線程處于狀態(tài)圖中的同步阻塞狀態(tài)。

構(gòu)造方法：

Lock()

實例方法：

acquire([timeout]): 使線程進(jìn)入同步阻塞狀態(tài)，嘗試獲得鎖定。
release(): 釋放鎖。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

import time

data = 0

lock = threading.Lock()

def func():

    global data

    print '%s acquire lock...' % threading.currentThread().getName()

    # 調(diào)用acquire([timeout])時，線程將一直阻塞，

    # 直到獲得鎖定或者直到timeout秒后（timeout參數(shù)可選）。

    # 返回是否獲得鎖。

    if lock.acquire():

        print '%s get the lock.' % threading.currentThread().getName()

        data += 1

        time.sleep(2)

        print '%s release lock...' % threading.currentThread().getName()

        # 調(diào)用release()將釋放鎖。

        lock.release()

t1 = threading.Thread(target=func)

t2 = threading.Thread(target=func)

t3 = threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

t3.start()

3.3. RLock

RLock（可重入鎖）是一個可以被同一個線程請求多次的同步指令。RLock使用了“擁有的線程”和“遞歸等級”的概念，處于鎖定狀態(tài)時，RLock被某個線程擁有。擁有RLock的線程可以再次調(diào)用acquire()，釋放鎖時需要調(diào)用release()相同次數(shù)。

可以認(rèn)為RLock包含一個鎖定池和一個初始值為0的計數(shù)器，每次成功調(diào)用 acquire()/release()，計數(shù)器將+1/-1，為0時鎖處于未鎖定狀態(tài)。

構(gòu)造方法：

RLock()

實例方法：
acquire([timeout])/release(): 跟Lock差不多。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

import time

rlock = threading.RLock()

def func():

    # 第一次請求鎖定

    print '%s acquire lock...' % threading.currentThread().getName()

    if rlock.acquire():

        print '%s get the lock.' % threading.currentThread().getName()

        time.sleep(2)

        # 第二次請求鎖定

        print '%s acquire lock again...' % threading.currentThread().getName()

        if rlock.acquire():

            print '%s get the lock.' % threading.currentThread().getName()

            time.sleep(2)

        # 第一次釋放鎖

        print '%s release lock...' % threading.currentThread().getName()

        rlock.release()

        time.sleep(2)

        # 第二次釋放鎖

        print '%s release lock...' % threading.currentThread().getName()

        rlock.release()

t1 = threading.Thread(target=func)

t2 = threading.Thread(target=func)

t3 = threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

t3.start()

3.4. Condition

Condition（條件變量）通常與一個鎖關(guān)聯(lián)。需要在多個Contidion中共享一個鎖時，可以傳遞一個Lock/RLock實例給構(gòu)造方法，否則它將自己生成一個RLock實例。

可以認(rèn)為，除了Lock帶有的鎖定池外，Condition還包含一個等待池，池中的線程處于狀態(tài)圖中的等待阻塞狀態(tài)，直到另一個線程調(diào)用notify()/notifyAll()通知；得到通知后線程進(jìn)入鎖定池等待鎖定。

構(gòu)造方法：

Condition([lock/rlock])

實例方法：

acquire([timeout])/release(): 調(diào)用關(guān)聯(lián)的鎖的相應(yīng)方法。
wait([timeout]): 調(diào)用這個方法將使線程進(jìn)入Condition的等待池等待通知，并釋放鎖。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。
notify(): 調(diào)用這個方法將從等待池挑選一個線程并通知，收到通知的線程將自動調(diào)用acquire()嘗試獲得鎖定（進(jìn)入鎖定池）；其他線程仍然在等待池中。調(diào)用這個方法不會釋放鎖定。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。
notifyAll(): 調(diào)用這個方法將通知等待池中所有的線程，這些線程都將進(jìn)入鎖定池嘗試獲得鎖定。調(diào)用這個方法不會釋放鎖定。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。

例子是很常見的生產(chǎn)者/消費者模式：

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

import time

# 商品

product = None

# 條件變量

con = threading.Condition()

# 生產(chǎn)者方法

def produce():

    global product

    if con.acquire():

        while True:

            if product is None:

                print 'produce...'

                product = 'anything'

                # 通知消費者，商品已經(jīng)生產(chǎn)

                con.notify()

            # 等待通知

            con.wait()

            time.sleep(2)

# 消費者方法

def consume():

    global product

    if con.acquire():

        while True:

            if product is not None:

                print 'consume...'

                product = None

                # 通知生產(chǎn)者，商品已經(jīng)沒了

                con.notify()

            # 等待通知

            con.wait()

            time.sleep(2)

t1 = threading.Thread(target=produce)

t2 = threading.Thread(target=consume)

t2.start()

t1.start()

3.5. Semaphore/BoundedSemaphore

Semaphore（信號量）是計算機科學(xué)史上最古老的同步指令之一。Semaphore管理一個內(nèi)置的計數(shù)器，每當(dāng)調(diào)用acquire()時-1，調(diào)用release() 時+1。計數(shù)器不能小于0；當(dāng)計數(shù)器為0時，acquire()將阻塞線程至同步鎖定狀態(tài)，直到其他線程調(diào)用release()。

基于這個特點，Semaphore經(jīng)常用來同步一些有“訪客上限”的對象，比如連接池。

BoundedSemaphore 與Semaphore的唯一區(qū)別在于前者將在調(diào)用release()時檢查計數(shù)器的值是否超過了計數(shù)器的初始值，如果超過了將拋出一個異常。

構(gòu)造方法：
Semaphore(value=1): value是計數(shù)器的初始值。

實例方法：
acquire([timeout]): 請求Semaphore。如果計數(shù)器為0，將阻塞線程至同步阻塞狀態(tài)；否則將計數(shù)器-1并立即返回。
release(): 釋放Semaphore，將計數(shù)器+1，如果使用BoundedSemaphore，還將進(jìn)行釋放次數(shù)檢查。release()方法不檢查線程是否已獲得 Semaphore。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

import time

# 計數(shù)器初值為2

semaphore = threading.Semaphore(2)

def func():

    # 請求Semaphore，成功后計數(shù)器-1；計數(shù)器為0時阻塞

    print '%s acquire semaphore...' % threading.currentThread().getName()

    if semaphore.acquire():

        print '%s get semaphore' % threading.currentThread().getName()

        time.sleep(4)

        # 釋放Semaphore，計數(shù)器+1

        print '%s release semaphore' % threading.currentThread().getName()

        semaphore.release()

t1 = threading.Thread(target=func)

t2 = threading.Thread(target=func)

t3 = threading.Thread(target=func)

t4 = threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

t3.start()

t4.start()

time.sleep(2)

# 沒有獲得semaphore的主線程也可以調(diào)用release

# 若使用BoundedSemaphore，t4釋放semaphore時將拋出異常

print 'MainThread release semaphore without acquire'

semaphore.release()

3.6. Event

Event（事件）是最簡單的線程通信機制之一：一個線程通知事件，其他線程等待事件。Event內(nèi)置了一個初始為False的標(biāo)志，當(dāng)調(diào)用set()時設(shè)為True，調(diào)用clear()時重置為 False。wait()將阻塞線程至等待阻塞狀態(tài)。

Event其實就是一個簡化版的 Condition。Event沒有鎖，無法使線程進(jìn)入同步阻塞狀態(tài)。

構(gòu)造方法：

Event()

實例方法：
isSet(): 當(dāng)內(nèi)置標(biāo)志為True時返回True。
set(): 將標(biāo)志設(shè)為True，并通知所有處于等待阻塞狀態(tài)的線程恢復(fù)運行狀態(tài)。
clear(): 將標(biāo)志設(shè)為False。
wait([timeout]): 如果標(biāo)志為True將立即返回，否則阻塞線程至等待阻塞狀態(tài)，等待其他線程調(diào)用set()。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

import time

event = threading.Event()

def func():

    # 等待事件，進(jìn)入等待阻塞狀態(tài)

    print '%s wait for event...' % threading.currentThread().getName()

    event.wait()

    # 收到事件后進(jìn)入運行狀態(tài)

    print '%s recv event.' % threading.currentThread().getName()

t1 = threading.Thread(target=func)

t2 = threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

time.sleep(2)

# 發(fā)送事件通知

print 'MainThread set event.'

event.set()

3.7. Timer
Timer（定時器）是Thread的派生類，用于在指定時間后調(diào)用一個方法。

構(gòu)造方法：
Timer(interval, function, args=[], kwargs={})
interval: 指定的時間
function: 要執(zhí)行的方法
args/kwargs: 方法的參數(shù)

實例方法：
Timer從Thread派生，沒有增加實例方法。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

def func():

    print 'hello timer!'

timer = threading.Timer(5, func)

timer.start()

3.8. local

local是一個小寫字母開頭的類，用于管理 thread-local（線程局部的）數(shù)據(jù)。對于同一個local，線程無法訪問其他線程設(shè)置的屬性；線程設(shè)置的屬性不會被其他線程設(shè)置的同名屬性替換。

可以把local看成是一個“線程-屬性字典”的字典，local封裝了從自身使用線程作為 key檢索對應(yīng)的屬性字典、再使用屬性名作為key檢索屬性值的細(xì)節(jié)。

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

local = threading.local()

local.tname = 'main'

def func():

    local.tname = 'notmain'

    print local.tname

t1 = threading.Thread(target=func)

t1.start()

t1.join()

print local.tname

熟練掌握Thread、Lock、Condition就可以應(yīng)對絕大多數(shù)需要使用線程的場合，某些情況下local也是非常有用的東西。本文的最后使用這幾個類展示線程基礎(chǔ)中提到的場景：

復(fù)制代碼代碼如下:

# encoding: UTF-8

import threading

alist = None

condition = threading.Condition()

def doSet():

    if condition.acquire():

        while alist is None:

            condition.wait()

        for i in range(len(alist))[::-1]:

            alist[i] = 1

        condition.release()

def doPrint():

    if condition.acquire():

        while alist is None:

            condition.wait()

        for i in alist:

            print i,

        print

        condition.release()

def doCreate():

    global alist

    if condition.acquire():

        if alist is None:

            alist = [0 for i in range(10)]

            condition.notifyAll()

        condition.release()

tset = threading.Thread(target=doSet,name='tset')

tprint = threading.Thread(target=doPrint,name='tprint')

tcreate = threading.Thread(target=doCreate,name='tcreate')

tset.start()

tprint.start()

tcreate.start()