python并发编程之多线程

2021-02-04 19:18

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标签：创建解释器 return 守护线程关系 lse wait 对象操作系统

1、线程理论知识

　　概念：指的是一条流水线的工作过程的总称，是一个抽象的概念，是CPU基本执行单位。

　　进程和线程之间的区别：

　　　　1. 进程仅仅是一个资源单位，其中包含程序运行所需的资源，而线程就相当于车间的流水线，负责执行具代码。

　　　　2. 每个进程至少包含一个线程，由操作系统自动创建，称之为主线程

　　　　3. 每个进程可以有任意数量的线程

　　　　4.创建进程的开销要比创建进程小得多

　　　　5. 同一进程的线程间数据是共享的

　　　　6.线程之间是平等的，没有子父级关系，同一进程下的各线程的PID相同

　　　　7. 创建线程的代码可以写在任意位置，不一定非要在main函数下。

　　为什么使用线程：

　　　　提高程序执行效率

2、开启线程的两种方式

　　和进程类似，但是开启方式不一定非要建在main函数下。

# 第一种方式，实例化 Thread
# from threading import Thread
#
# def task():
#     print("subthread is running....")
#
# t = Thread(target=task)
# t.start()
# print(‘main is over....‘)

# 第二种方式，继承Thread类

from threading import Thread

class MyThread(Thread):
    def run(self):
        print("subthread is running....")

3、主线程和子线程之间的关系

　　1. 主线程任务执行完毕后，主线程会等待所有子线程全部执行完毕后结束

　　2. 在同一进程中，所有线程都是平等的，没有子父级关系

# 验证主线程代码执行完后会不会立即结束，
import random
import time
import threading
from threading import Thread
def task(name):
    print("%s is running..." % name)
    time.sleep(random.randint(1, 3))
    print(threading.enumerate())
    print("%s is over....." % name)


t = Thread(target=task, args=(‘aaa‘,))
t.start()

print(‘main over....‘)

4、验证线程和进程之间的区别

from threading import Thread
import time

def task():
    global num
    time.sleep(1)
    num -= 1
num = 10
t = Thread(target=task,)
t.start()
t.join()
print(num)

创建线程的开销要比创建进程小的多

5、线程的安全问题

　1.互斥锁

　　数据共享必然会造成竞争，竞争就会造成数据错乱问题。

　　解决办法：和进程一样，加互斥锁。

from threading import Thread, Lock
import time

num = 10

def task(lock):
    global num
    lock.acquire()
    a = num
    time.sleep(0.5)
    num = a-1
    lock.release()

ts = []
lock = Lock()
for i in range(10):
    t = Thread(target=task,args=(lock,))
    t.start()
    ts.append(t)
for t in ts:
    t.join()
print(num)

　　2.死锁

　　死锁不是一种锁，而是一种锁的状态，

　　一般出现死锁的情况有两种：

　　　　1. 对同一把锁多次acquire.(使用RLOCK锁，代替LOCK)

　　　　2. 两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，因争夺资源造成的相互等待现象。(解决办法：能不加最好不加，要加就只加一把)

from threading import Thread, Lock
import time

def task1(name, locka, lockb):
    locka.acquire()
    print("%s拿到a锁"%name)
    time.sleep(0.3)
    lockb.acquire()
    print(‘%s拿到b锁‘%name)
    lockb.release()
    locka.release()
def task2(name, locka, lockb):
    lockb.acquire()
    print("%s拿到b锁"%name)
    time.sleep(0.3)
    locka.acquire()
    print(‘%s拿到a锁‘%name)
    locka.release()
    lockb.release()

locka = Lock()
lockb = Lock()
t1 = Thread(target=task1, args=(‘t1‘, locka, lockb))
t2 = Thread(target=task2, args=(‘t2‘, locka, lockb))
t1.start()
t2.start()

　　3.可重入锁

　　只能解决同一线程多次执行acquire情况。

　　只有一个线程所有的acquire都被释放，其他线程才能拿到这个锁。

　　也会发生死锁现象。

from threading import Thread, RLock

lock = RLock()
lock.acquire()
lock.acquire()
lock.acquire()
lock.acquire()

print("over")
lock = RLock()

def task1():
    lock.acquire()
    print(‘task1‘)
def task2():
    lock.acquire()
    print(‘task2‘)


Thread(target=task1).start()
Thread(target=task2).start()

　　4. 信号量

　　也是一种锁，用来控制同一时间，有多少线程可以提供并发访问，不是用来处理线程安全问题

from threading import Semaphore, Thread
import time
s_lock = Semaphore(3)


def task():
    s_lock.acquire()
    time.sleep(1)
    print("run.....")
    s_lock.release()


for i in range(20):
    t = Thread(target=task)
    t.start()

6、守护线程

　　守护线程在所有非守护线程结束后结束。

import threading
from threading import Thread
import time

def task1():
    print(‘thread-1 is running...‘)
    time.sleep(3)
    print(‘thread-1 over....‘)

def task2():
    print(‘thread-2 is running...‘)
    time.sleep(1)
    print(‘thread-2 over....‘)

if __name__ == ‘__main__‘:
    t1 = Thread(target=task1,)
    t2 = Thread(target=task2,)
    t1.setDaemon(True)
    t1.start()
    t2.start()
    print(t1.ident)
    print(threading.enumerate())
    print("main over...")

7、GIL

　　全局解释器锁，是一互斥锁，只有在Cpython解释器存在。

　　为什么需要：因为一个python.exe进行运行只有一份解释器，如果这个进程开启的多个线程都要执行代码，多线程之间就要竞争解释器，一旦竞争就有可能出现问题。

　　带来的好处：保证了多线程同时访问解释器时的数据安全问题。

　　带来的问题：同一时间只有一个线程访问解释器，使得多线程无法真正的并发

　　出现的原因：默认情况下，一个进程只有一个线程不会是不会出问题，但不要忘了还有GC线程，一旦出现多个线程就可能出现问题，所以当初就简单粗暴的加上了GIL锁

　　GIL加锁和解锁时机：

　　　　加锁：在调用解释器时立即加锁

　　　　解锁：当前线程遇到IO时释放，或者当前线程执行超过设定值释放(py2计算的是执行代码的行数，py3中计算的是时间)

　　解决办法：使用多进程或使用其他的python解释器

8、线程池和进程池

　　一种容器，本质十一存储线程或进程的列表

　　为什么使用？因为服务器不能无限开启线程或进程，所以需要对线程数量加以控制，线程池就是帮我们完成线程/进程的创建、销毁以及任务分配

　　特点：

　　　　线程池在创建时不会开启线程，

　　　　等到任务提交时，如果没有空闲线程，并且已存在的线程数量小于最大值，开启新线程，

　　　　线程开启后不会关闭，直到进程全部结束为止

　　（线程池的建立也要建在main函数下）

from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor, ThreadPoolExecutor
pool= ProcessPoolExecutor(maxsize),创建进程池，maxsize为最大进程个数

res = pool.submit(task, ‘a‘), 提交任务

res.result(timeout)，接收调用的返回值，timeout为超时时间，超时报错
该函数是阻塞函数，会一直等待任务执行完毕
pool.shutdown(wait),所有任务执行完毕，阻塞函数
wait=True， 等待池内所有任务执行完毕后回收资源才继续
wait=False，立即返回，并不会等待池内的任务执行完毕

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import time

def task(num):
    time.sleep(0.5)
    print("%s is running....."%num)
    return num**2

pool = ThreadPoolExecutor()
ress = []
for i in range(10):
    res = pool.submit(task, i)
    ress.append(res)

pool.shutdown(wait=False)

for i in ress:
     print(i.result())

print(‘over‘)

9、同步异步阻塞非阻塞

　　阻塞和非阻塞都是指程序的运行状态

　　　　阻塞：当程序执行遇到IO操作，无法继续执行代码

　　　　非阻塞：程序执行没有遇到IO操作，或通过某种方式，使程序遇到了也不会停在原地，还可以继续执行

　　同步异步指的是提交任务的方式

　　　　同步：发起任务后必须原地等待任务执行完成，才可以继续执行

　　　　异步：发起任务后不用等待任务执行，可以立即执行其他操作

　　　　异步效率高于同步，发起异步任务方式：就是多线程和多进程

　　同步和阻塞的不同：阻塞一定使CPU已经切换，同步虽然在等待，但CPU没有切走，还在当前进程中执行其他任务

10、异步回调

　　其实说的是回调函数，给异步任务绑定一个函数，当任务完成时会自动调用该函数。

　　优点：不用原地等待，任务结果立即获取

　　线程池或进程池内内的调用回调函数方法add_done_back()，且回调函数必须有且只有一个参数，就是调用对象本身。

　　线程池的回调函数是在子线程内执行，

　　进程池的回调函数是在主进程下执行

import requests
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import threading


def product_data(url):
    data = requests.get(url)
    return data.text,url


def parser_data(f):
    res = f.result()
    print(len(res[0]), res[1], "当前线程", threading.current_thread())




if __name__ == ‘__main__‘:
    urls = [‘http://www.baidu.com‘,‘https://www.cnblogs.com/ywsun/‘, ‘https://www.processon.com/‘]
    pool = ThreadPoolExecutor()
    for url in urls:
        f = pool.submit(product_data, url)
        f.add_done_callback(parser_data)

import requests
from concurrent.futures import  ProcessPoolExecutor
import os
def product_data(url):
    data = requests.get(url)
    return data.text,url


def parser_data(f):
    res = f.result()
    print(len(res[0]), res[1], ", callback pid", os.getpid() )




if __name__ == ‘__main__‘:
    urls = [‘http://www.baidu.com‘,‘https://www.cnblogs.com/ywsun/‘, ‘https://www.processon.com/‘]
    pool = ProcessPoolExecutor()
    print(‘main process‘, os.getpid())
    for url in urls:
        f = pool.submit(product_data, url)
        f.add_done_callback(parser_data)

11、线程队列

　　queue 该模块下提供了一些常见的数据容器，仅仅是容器，没有数据共享特点

　　Queue，先进先出

　　LifoQueue，后进先出

　　PriorityQueue，可设置优先级的队列。插入元组，第一个元素是优先级，可是数字、字母，对应的数值越小优先级越高

import queue


q=queue.PriorityQueue()
#put进入一个元组,元组的第一个元素是优先级(通常是数字,也可以是非数字之间的比较),数字越小优先级越高
q.put((2,‘a‘))
q.put((1,‘b‘))
q.put((3,‘c‘))


print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())


# 如果是字符，按照ASCII表来排序
q.put((‘a‘, "sfsja"))
q.put((‘b‘, "sdfsdf"))
q.put((‘A‘, "sdfsdf"))
q.put((‘ae‘, "sdfsdf"))
q.put((‘ab‘, "sdfsdf"))
print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())

12、事件

　　用于线程间通讯，线程间本就是数据共享，也就是即使没有事件，也没有问题

　　线程之间，执行流程是完全独立的，一些时候可能需要知道另一个进程发生了什么，然后采取一些行动。

　　方法：

　　　　event.isSet()，返回event的状态值；

　　　　event.wait(), 如果event.isSet()==False将阻塞进程。

　　　　event.set(), 设置event的状态Ture，将所有阻塞池的线程激活，进入就绪状态。等待操作系统调度。

　　　　even.clear(), 恢复event的状态位False。

from threading import Thread, Event
import time
import random
boot= Event()


def server():
    print(‘启动服务器。。。。‘)
    time.sleep(random.randint(1,3))
    print(‘服务器运行。。。。。‘)
    boot.set()

def connect():
    print(‘开始尝试连接‘)
    boot.wait()
    print(‘连接成功‘)

t1 = Thread(target=server)
t1.start()

t2 = Thread(target=connect)
t2.start()

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