python——进程、线程、协程

Python线程

Threading用于提供线程相关的操作，线程是应用程序中工作的最小单元。

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

import threading

import time

def show(arg):

time.sleep(1)

print 'thread'+str(arg)

for i in range(10):

t = threading.Thread(target=show, args=(i,))

t.start()

print 'main thread stop'

上述代码创建了10个“前台”线程，然后控制器就交给了CPU，CPU根据指定算法进行调度，分片执行指令。

更多方法：

start 线程准备就绪，等待CPU调度
setName 为线程设置名称
getName 获取线程名称
setDaemon 设置为后台线程或前台线程（默认）
如果是后台线程，主线程执行过程中，后台线程也在进行，主线程执行完毕后，后台线程不论成功与否，均停止
如果是前台线程，主线程执行过程中，前台线程也在进行，主线程执行完毕后，等待前台线程也执行完成后，程序停止
join 逐个执行每个线程，执行完毕后继续往下执行，该方法使得多线程变得无意义
run 线程被cpu调度后自动执行线程对象的run方法

import threading

import time

class MyThread(threading.Thread):

    def __init__(self,num):

        threading.Thread.__init__(self)

        self.num = num

    def run(self):#定义每个线程要运行的函数

        print("running on number:%s" %self.num)

        time.sleep(3)

if __name__ == '__main__':

    t1 = MyThread(1)

    t2 = MyThread(2)

    t1.start()

    t2.start()

自定义线程类

线程锁（Lock、RLock【推荐】）

由于线程之间是进行随机调度，并且每个线程可能只执行n条执行之后，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 - 同一时刻允许一个线程执行操作。

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

import threading

import time

gl_num = 0

def show(arg):

    global gl_num

    time.sleep(1)

    gl_num +=1

    print gl_num

for i in range(10):

    t = threading.Thread(target=show, args=(i,))

    t.start()

print 'main thread stop'

未使用锁

#!/usr/bin/env python

#coding:utf-8

import threading

import time

gl_num = 0

lock = threading.RLock()

def Func():

    lock.acquire()

    global gl_num

    gl_num +=1

    time.sleep(1)

    print gl_num

    lock.release()

for i in range(10):

    t = threading.Thread(target=Func)

    t.start()

信号量（Semaphore）

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。

import threading,time

def run(n):

    semaphore.acquire()

    time.sleep(1)

    print("run the thread: %s" %n)

    semaphore.release()

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(20):

        t = threading.Thread(target=run,args=(i,))

        t.start()

GIL VS Lock

机智的同学可能会问到这个问题，就是既然你之前说过了，Python已经有一个GIL来保证同一时间只能有一个线程来执行了，为什么这里还需要lock? 注意啦，这里的lock是用户级的lock,跟那个GIL没关系，具体我们通过下图来看一下+配合我现场讲给大家，就明白了。

那你又问了，既然用户程序已经自己有锁了，那为什么C python还需要GIL呢？加入GIL主要的原因是为了降低程序的开发的复杂度，比如现在的你写python不需要关心内存回收的问题，因为Python解释器帮你自动定期进行内存回收，你可以理解为python解释器里有一个独立的线程，每过一段时间它起wake up做一次全局轮询看看哪些内存数据是可以被清空的，此时你自己的程序里的线程和 py解释器自己的线程是并发运行的，假设你的线程删除了一个变量，py解释器的垃圾回收线程在清空这个变量的过程中的clearing时刻，可能一个其它线程正好又重新给这个还没来及得清空的内存空间赋值了，结果就有可能新赋值的数据被删除了，为了解决类似的问题，python解释器简单粗暴的加了锁，即当一个线程运行时，其它人都不能动，这样就解决了上述的问题，这可以说是Python早期版本的遗留问题。

事件（event）

python线程的事件用于主线程控制其他线程的执行，事件主要提供了三个方法 set、wait、clear。

事件处理的机制：全局定义了一个“Flag”，如果“Flag”值为 False，那么当程序执行 event.wait 方法时就会阻塞，如果“Flag”值为True，那么event.wait 方法时便不再阻塞。

clear：将“Flag”设置为False
set：将“Flag”设置为True

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

import threading

def do(event):

print 'start'

event.wait()

print 'execute'

event_obj = threading.Event()

for i in range(10):

t = threading.Thread(target=do, args=(event_obj,))

t.start()

event_obj.clear()

inp = raw_input('input:')

if inp == 'true':

event_obj.set()

条件（Condition）

使得线程等待，只有满足某条件时，才释放n个线程

import threading

def run(n):

    con.acquire()

    con.wait()

    print("run the thread: %s" %n)

    con.release()

if __name__ == '__main__':

    con = threading.Condition()

    for i in range(10):

        t = threading.Thread(target=run, args=(i,))

        t.start()

    while True:

        inp = input('>>>')

        if inp == 'q':

            break

        con.acquire()

        con.notify(int(inp))

        con.release()

def condition_func():

    ret = False

    inp = input('>>>')

    if inp == '':

        ret = True

    return ret

def run(n):

    con.acquire()

    con.wait_for(condition_func)

    print("run the thread: %s" %n)

    con.release()

if __name__ == '__main__':

    con = threading.Condition()

    for i in range(10):

        t = threading.Thread(target=run, args=(i,))

        t.start()

Timer

定时器，指定n秒后执行某操作

from threading import Timer

def hello():

print("hello, world")

t = Timer(1, hello)

t.start() # after 1 seconds, "hello, world" will be printed

线程池（不内置）

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

import Queue

import threading

class ThreadPool(object):

    def __init__(self, max_num=20):

        self.queue = Queue.Queue(max_num)

        for i in xrange(max_num):

            self.queue.put(threading.Thread)

    def get_thread(self):

        return self.queue.get()

    def add_thread(self):

        self.queue.put(threading.Thread)

"""

pool = ThreadPool(10)

def func(arg, p):

    print arg

    import time

    time.sleep(2)

    p.add_thread()

for i in xrange(30):

    thread = pool.get_thread()

    t = thread(target=func, args=(i, pool))

    t.start()

"""

Low版本

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

import queue

import threading

import contextlib

import time

StopEvent = object()

class ThreadPool(object):

    def __init__(self, max_num, max_task_num = None):

        if max_task_num:

            self.q = queue.Queue(max_task_num)

        else:

            self.q = queue.Queue()

        self.max_num = max_num

        self.cancel = False

        self.terminal = False

        self.generate_list = []

        self.free_list = []

    def run(self, func, args, callback=None):

        """

        线程池执行一个任务

        :param func: 任务函数

        :param args: 任务函数所需参数

        :param callback: 任务执行失败或成功后执行的回调函数，回调函数有两个参数1、任务函数执行状态；2、任务函数返回值（默认为None，即：不执行回调函数）

        :return: 如果线程池已经终止，则返回True否则None

        """

        if self.cancel:

            return

        if len(self.free_list) == 0 and len(self.generate_list) < self.max_num:

            self.generate_thread()

        w = (func, args, callback,)

        self.q.put(w)

    def generate_thread(self):

        """

        创建一个线程

        """

        t = threading.Thread(target=self.call)

        t.start()

    def call(self):

        """

        循环去获取任务函数并执行任务函数

        """

        current_thread = threading.currentThread()

        self.generate_list.append(current_thread)

        event = self.q.get()

        while event != StopEvent:

            func, arguments, callback = event

            try:

                result = func(*arguments)

                success = True

            except Exception as e:

                success = False

                result = None

            if callback is not None:

                try:

                    callback(success, result)

                except Exception as e:

                    pass

            with self.worker_state(self.free_list, current_thread):

                if self.terminal:

                    event = StopEvent

                else:

                    event = self.q.get()

        else:

            self.generate_list.remove(current_thread)

    def close(self):

        """

        执行完所有的任务后，所有线程停止

        """

        self.cancel = True

        full_size = len(self.generate_list)

        while full_size:

            self.q.put(StopEvent)

            full_size -= 1

    def terminate(self):

        """

        无论是否还有任务，终止线程

        """

        self.terminal = True

        while self.generate_list:

            self.q.put(StopEvent)

        self.q.queue.clear()

    @contextlib.contextmanager

    def worker_state(self, state_list, worker_thread):

        """

        用于记录线程中正在等待的线程数

        """

        state_list.append(worker_thread)

        try:

            yield

        finally:

            state_list.remove(worker_thread)

# How to use

pool = ThreadPool(5)

def callback(status, result):

    # status, execute action status

    # result, execute action return value

    pass

def action(i):

    print(i)

for i in range(30):

    ret = pool.run(action, (i,), callback)

time.sleep(5)

print(len(pool.generate_list), len(pool.free_list))

print(len(pool.generate_list), len(pool.free_list))

# pool.close()

# pool.terminate()

高大上版本

更多参见：twisted.python.threadpool

上下文管理：https://docs.python.org/2/library/contextlib.html

from contextlib import contextmanager

@contextmanager

def myopen(file_path, mode):

    #  第一步执行

    f = open(file_path,mode, encoding='utf-8')

    try:

        # f 即是下面的 file_obj 句柄

        yield f

    finally:

        # 第三步执行

        f.close()

with myopen('index.html','r') as file_obj:

    # 第二步执行

    print(file_obj.readline())

Python 进程

from multiprocessing import Process

import threading

import time

def foo(i):

print 'say hi',i

for i in range(10):

p = Process(target=foo,args=(i,))

p.start()

注意：由于进程之间的数据需要各自持有一份，所以创建进程需要的非常大的开销。

进程数据共享

进程各自持有一份数据，默认无法共享数据

#!/usr/bin/env python

#coding:utf-8

from multiprocessing import Process

from multiprocessing import Manager

import time

li = []

def foo(i):

    li.append(i)

    print 'say hi',li

for i in range(10):

    p = Process(target=foo,args=(i,))

    p.start()

print 'ending',li

进程间默认无法数据共享

#方法一，Array

from multiprocessing import Process,Array

temp = Array('i', [11,22,33,44])

def Foo(i):

    temp[i] = 100+i

    for item in temp:

        print i,'----->',item

for i in range(2):

    p = Process(target=Foo,args=(i,))

    p.start()

#方法二：manage.dict()共享数据

from multiprocessing import Process,Manager

manage = Manager()

dic = manage.dict()

def Foo(i):

    dic[i] = 100+i

    print dic.values()

for i in range(2):

    p = Process(target=Foo,args=(i,))

    p.start()

    p.join()

#方法三：Queue共享数据

from multiprocessing import Process, Queue

def f(i,q):

    print(i,q.get())

if __name__ == '__main__':

    q = Queue()

    q.put("h1")

    q.put("h2")

    q.put("h3")

    for i in range(10):

        p = Process(target=f, args=(i,q,))

        p.start()

　当创建进程时（非使用时），共享数据会被拿到子进程中，当进程中执行完毕后，再赋值给原值。

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

from multiprocessing import Process, Array, RLock

def Foo(lock,temp,i):

    """

    将第0个数加100

    """

    lock.acquire()

    temp[0] = 100+i

    for item in temp:

        print i,'----->',item

    lock.release()

lock = RLock()

temp = Array('i', [11, 22, 33, 44])

for i in range(20):

    p = Process(target=Foo,args=(lock,temp,i,))

    p.start()

进程锁实例

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

from  multiprocessing import Process,Pool

import time

def Foo(i):

    time.sleep(2)

    return i+100

def Bar(arg):

    print arg

pool = Pool(5)

#排队执行，内带join

#print pool.apply(Foo,(1,))

#并发执行，主进程不等待子进程（daemon=True），可以设置回调函数

#print pool.apply_async(func =Foo, args=(1,)).get()

for i in range(10):

    pool.apply_async(func=Foo, args=(i,),callback=Bar)

print 'end'

pool.close()            #等待线程池全部执行完毕后关闭线程池

pool.terminate()    # 立即关闭线程池里面的所有线程

#进程池中进程执行完毕后再关闭，必须要先执行close或者是terminate函数

pool.join()

协程

线程和进程的操作是由程序触发系统接口，最后的执行者是系统；协程的操作则是程序员。

协程存在的意义：对于多线程应用，CPU通过切片的方式来切换线程间的执行，线程切换时需要耗时（保存状态，下次继续）。协程，则只使用一个线程，在一个线程中规定某个代码块执行顺序。

协程的适用场景：当程序中存在大量不需要CPU的操作时（IO），适用于协程；

greenlet

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

from greenlet import greenlet

def test1():

print 12

gr2.switch()

print 34

gr2.switch()

def test2():

print 56

gr1.switch()

print 78

gr1 = greenlet(test1)

gr2 = greenlet(test2)

gr1.switch()

gevent

import gevent

def foo():

print('Running in foo')

gevent.sleep(0)

print('Explicit context switch to foo again')

def bar():

print('Explicit context to bar')

gevent.sleep(0)

print('Implicit context switch back to bar')

gevent.joinall([

gevent.spawn(foo),

gevent.spawn(bar),

])

遇到IO操作自动切换：

from gevent import monkey; monkey.patch_all()

import gevent

import urllib2

def f(url):

    print('GET: %s' % url)

    resp = urllib2.urlopen(url)

    data = resp.read()

    print('%d bytes received from %s.' % (len(data), url))

gevent.joinall([

        gevent.spawn(f, 'https://www.python.org/'),

        gevent.spawn(f, 'https://www.yahoo.com/'),

        gevent.spawn(f, 'https://github.com/'),

])

事件（event）

python线程的事件用于主线程控制其他线程的执行，事件主要提供了三个方法 set、wait、clear。

clear：将“Flag”设置为False
set：将“Flag”设置为True

#!/usr/bin/env python

# -*- coding:utf-8 -*-

import threading

def do(event):

print 'start'

event.wait()

print 'execute'

event_obj = threading.Event()

for i in range(10):

t = threading.Thread(target=do, args=(event_obj,))

t.start()

event_obj.clear()

inp = raw_input('input:')

if inp == 'true':

event_obj.set()

条件（Condition）

使得线程等待，只有满足某条件时，才释放n个线程

import threading

def run(n):

con.acquire()

con.wait()

print("run the thread: %s" %n)

con.release()

if __name__ == '__main__':

con = threading.Condition()

for i in range(10):

t = threading.Thread(target=run, args=(i,))

t.start()

while True:

inp = input('>>>')

if inp == 'q':

break

con.acquire()

con.notify(int(inp))

con.release()