python多线程详解

一、多线程介绍

1、什么是线程？

• 线程也叫轻量级进程，是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包涵在进程之中，是进程中的实际运作单位。
• 线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。
• 一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

2、为什么要使用多线程？

• 线程在程序中是独立的、并发的执行流。与分隔的进程相比，进程中线程之间的隔离程度要小，它们共享内存、文件句柄和其他进程应有的状态。
• 因为线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。进程在执行过程之中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大的提升了程序的运行效率。
• 线程比进程具有更高的性能，这是由于同一个进程中的线程都有共性，多个线程共享一个进程的虚拟空间。线程的共享环境 包括进程代码段、进程的共有数据等，利用这些共享的数据，线程之间很容易实现通信。
• 操作系统在创建进程时，必须为改进程分配独立的内存空间，并分配大量的相关资源，但创建线程则简单得多。因此，使用多线程来实现并发比使用多进程的性能高得要多。

3、总结起来，使用多线程编程具有如下几个优点：

• 进程之间不能共享内存，但线程之间共享内存非常容易。
• 操作系统在创建进程时，需要为该进程重新分配系统资源，但创建线程的代价则小得多。因此使用多线程来实现多任务并发执行比使用多进程的效率高。
• python语言内置了多线程功能支持，而不是单纯地作为底层操作系统的调度方式，从而简化了python的多线程编程。

二、代码举例

import threading
import time,os

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    1、普通创建方式
'''
# def run(n):
#     print('task',n)
#     time.sleep(1)
#     print('2s')
#     time.sleep(1)
#     print('1s')
#     time.sleep(1)
#     print('0s')
#     time.sleep(1)
#
# if __name__ == '__main__':
      # target是要执行的函数名（不是函数），args是函数对应的参数，以元组的形式存在
#     t1 = threading.Thread(target=run,args=('t1',))     
#     t2 = threading.Thread(target=run,args=('t2',))
#     t1.start()
#     t2.start()

'''
    2、自定义线程：继承threading.Thread来定义线程类，
                 其本质是重构Thread类中的run方法
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# class MyThread(threading.Thread):
#     def __init__(self,n):
#         super(MyThread,self).__init__()   #重构run函数必须写
#         self.n = n
#
#     def run(self):
#         print('task',self.n)
#         time.sleep(1)
#         print('2s')
#         time.sleep(1)
#         print('1s')
#         time.sleep(1)
#         print('0s')
#         time.sleep(1)
#
# if __name__ == '__main__':
#     t1 = MyThread('t1')
#     t2 = MyThread('t2')
#     t1.start()
#     t2.start()

'''
    3、守护线程
    
    下面这个例子，这里使用setDaemon(True)把所有的子线程都变成了主线程的守护线程，
    因此当主线程结束后，子线程也会随之结束，所以当主线程结束后，整个程序就退出了。
    
    所谓’线程守护’，就是主线程不管守护线程的执行情况，只要是其他非守护子线程结束且主线程执行完毕，
    主线程都会关闭。也就是说:主线程不等待守护线程的执行完再去关闭。

    主线程在其他非守护线程运行完毕后才算运行完毕（守护线程在此时就被回收）。
    因为主线程的结束意味着进程的结束，进程整体的资源都将被回收，
    而进程必须保证非守护线程都运行完毕后才能结束。
'''
# def run(n):
#     print('task',n)
#     time.sleep(1)
#     print('3s')
#     time.sleep(1)
#     print('2s')
#     time.sleep(1)
#     print('1s')
#
# if __name__ == '__main__':
#     t=threading.Thread(target=run,args=('t1',))
#     t.setDaemon(True)
#     t.start()
#     print('end')
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    通过执行结果可以看出，设置守护线程之后，当主线程结束时，子线程也将立即结束，不再执行
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'''
    4、主线程等待子线程结束
    为了让守护线程执行结束之后，主线程再结束，我们可以使用join方法，让主线程等待守护线程执行完毕再结束。
'''
# def run(n):
#     print('task',n)
#     time.sleep(2)
#     print('5s')
#     time.sleep(2)
#     print('3s')
#     time.sleep(2)
#     print('1s')
# if __name__ == '__main__':
#     t=threading.Thread(target=run,args=('t1',))
#     t.setDaemon(True)    #把子线程设置为守护线程，必须在start()之前设置
#     t.start()
#     t.join()     #设置主线程等待子线程结束
#     print('end')

'''
    5、多线程共享全局变量
    线程是进程的执行单元，进程是系统分配资源的最小执行单位，所以在同一个进程中的多线程是共享资源的。
'''
# g_num = 100
# def work1():
#     global  g_num
#     for i in range(3):
#         g_num+=1
#     print('in work1 g_num is : %d' % g_num)
#
# def work2():
#     global g_num
#     print('in work2 g_num is : %d' % g_num)
#
# if __name__ == '__main__':
#     t1 = threading.Thread(target=work1)
#     t1.start()
#     time.sleep(1)
#     t2=threading.Thread(target=work2)
#     t2.start()

'''
    6、互斥锁（Lock）
    由于线程之间是进行随机调度，当多个线程同时修改同一条数据时可能会出现脏数据，
    所以出现了线程锁，即同一时刻只允许一个线程执行某些操作。

    线程锁用于锁定资源，可以定义多个锁，像下面的代码，当需要独占某一个资源时，
    任何一个锁都可以锁定这个资源，就好比你用不同的锁都可以把这个相同的门锁住一样。
    
    由于线程之间是进行随机调度的，如果有多个线程同时操作一个对象，
    如果没有很好地保护该对象，会造成程序结果的不可预期，也称为“线程不安全”。
    
    为了防止上面情况的发生，就出现了互斥锁（Lock）
'''
# def work():
#     global n
#     lock.acquire()
#     temp = n
#     time.sleep(0.1)
#     n = temp-1
#     lock.release()
#
#
# if __name__ == '__main__':
#     lock = threading.Lock()
#     n = 100
#     l = []
#     for i in range(100):
#         p = Thread(target=work)
#         l.append(p)
#         p.start()
#     for p in l:
#         p.join()

'''
    7、递归锁：RLcok类的用法和Lock类一模一样，但它支持嵌套。

    RLock类代表可重入锁（Reentrant Lock）。
    对于可重入锁，在同一个线程中可以对它进行多次锁定，
    也可以多次释放。如果使用 RLock，那么 acquire() 和 release() 方法必须成对出现。
    如果调用了 n 次 acquire() 加锁，则必须调用 n 次 release() 才能释放锁。

    由此可见，RLock 锁具有可重入性。也就是说，同一个线程可以对已被加锁的 RLock 锁再次加锁，
    RLock 对象会维持一个计数器来追踪 acquire() 方法的嵌套调用，
    线程在每次调用 acquire() 加锁后，都必须显式调用 release() 方法来释放锁。
    所以，一段被锁保护的方法可以调用另一个被相同锁保护的方法。
'''
# def func(lock):
#     global gl_num
#     lock.acquire()
#     gl_num += 1
#     time.sleep(1)
#     print(gl_num)
#     lock.release()
#
#
# if __name__ == '__main__':
#     gl_num = 0
#     lock = threading.RLock()
#     for i in range(10):
#         t = threading.Thread(target=func,args=(lock,))
#         t.start()

'''
    8、信号量（BoundedSemaphore类）
    互斥锁同时只允许一个线程更改数据，而Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据，
    比如厕所有3个坑，那最多只允许3个人上厕所，后面的人只能等里面有人出来了才能再进去
'''
# def run(n,semaphore):
#     semaphore.acquire()   #加锁
#     time.sleep(3)
#     print('run the thread:%s\n' % n)
#     semaphore.release()    #释放
#
#
# if __name__== '__main__':
#     num=0
#     semaphore = threading.BoundedSemaphore(5)   #最多允许5个线程同时运行
#     for i in range(22):
#         t = threading.Thread(target=run,args=('t-%s' % i,semaphore))
#         t.start()
#     while threading.active_count() !=1:
#         pass
#     else:
#         print('----------all threads done-----------')

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    9、python线程事件
    
    用于主线程控制其他线程的执行，事件是一个简单的线程同步对象，其主要提供以下的几个方法：
        clear将flag设置为 False
        set将flag设置为 True
        is_set判断是否设置了flag
        wait会一直监听flag，如果没有检测到flag就一直处于阻塞状态
    
    事件处理的机制：全局定义了一个Flag，
    当Flag的值为False，那么event.wait()就会阻塞，
    当flag值为True，那么event.wait()便不再阻塞
'''
event = threading.Event()
def lighter():
    count = 0
    event.set()         #初始者为绿灯
    while True:
        if 5 < count <=10:
            event.clear()  #红灯，清除标志位
            print("\33[41;lmred light is on...\033[0m]")
        elif count > 10:
            event.set()    #绿灯，设置标志位
            count = 0
        else:
            print('\33[42;lmgreen light is on...\033[0m')

        time.sleep(1)
        count += 1

def car(name):
    while True:
        if event.is_set():     #判断是否设置了标志位
            print('[%s] running.....'%name)
            time.sleep(1)
        else:
            print('[%s] sees red light,waiting...'%name)
            event.wait()
            print('[%s] green light is on,start going...'%name)

# startTime = time.time()
light = threading.Thread(target=lighter,)
light.start()

car = threading.Thread(target=car,args=('MINT',))
car.start()
endTime = time.time()
# print('用时：',endTime-startTime)

'''
                           GIL  全局解释器
        在非python环境中，单核情况下，同时只能有一个任务执行。
        多核时可以支持多个线程同时执行。
        但是在python中，无论有多少个核同时只能执行一个线程。
        
        究其原因，这就是由于GIL的存在导致的。
        GIL的全程是全局解释器，来源是python设计之初的考虑，为了数据安全所做的决定。
        某个线程想要执行，必须先拿到GIL，我们可以
        把GIL看做是“通行证”，并且在一个python进程之中，GIL只有一个。
        拿不到线程的通行证，并且在一个python进程中，GIL只有一个，
        拿不到通行证的线程，就不允许进入CPU执行。

        GIL只在cpython中才有，因为cpython调用的是c语言的原生线程，
        所以他不能直接操作cpu，而只能利用GIL保证同一时间只能有一个线程拿到数据。
        而在pypy和jpython中是没有GIL的python在使用多线程的时候，调用的是c语言的原生过程。
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                            python针对不同类型的代码执行效率也是不同的
        1、CPU密集型代码（各种循环处理、计算等），在这种情况下，由于计算工作多，
        ticks技术很快就会达到阀值，然后出发GIL的释放与再竞争
        （多个线程来回切换当然是需要消耗资源的），
        所以python下的多线程对CPU密集型代码并不友好。
        
        2、IO密集型代码（文件处理、网络爬虫等设计文件读写操作），
        多线程能够有效提升效率（单线程下有IO操作会进行IO等待，
        造成不必要的时间浪费，而开启多线程能在线程A等待时，自动切换到线程B，
        可以不浪费CPU的资源，从而能提升程序的执行效率）。
        所以python的多线程对IO密集型代码比较友好。
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    主要要看任务的类型，我们把任务分为I/O密集型和计算密集型，
    而多线程在切换中又分为I/O切换和时间切换。
    
    如果任务属于是I/O密集型，
    若不采用多线程，我们在进行I/O操作时，势必要等待前面一个I/O任务完成后面的I/O任务才能进行，
    在这个等待的过程中，CPU处于等待状态，这时如果采用多线程的话，
    刚好可以切换到进行另一个I/O任务。这样就刚好可以充分利用CPU避免CPU处于闲置状态，提高效率。
    
    但是如果多线程任务都是计算型，CPU会一直在进行工作，
    直到一定的时间后采取多线程时间切换的方式进行切换线程，此时CPU一直处于工作状态，
    此种情况下并不能提高性能，相反在切换多线程任务时，可能还会造成时间和资源的浪费，
    导致效能下降。这就是造成上面两种多线程结果不能的解释。

结论:I/O密集型任务，建议采取多线程，还可以采用多进程+协程的方式
    (例如:爬虫多采用多线程处理爬取的数据)；
    
    对于计算密集型任务，python此时就不适用了。
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