Python自动化之线程进阶篇

拓展知识

什么是CPU-bound(计算密集型) 和I/O bound(I/O密集型) ？

• I/O bound 指的是系统的CPU效能相对硬盘/内存的效能要好很多，此时，系统运作，大部分的状况是 CPU 在等 I/O (硬盘/内存) 的读/写，此时 CPU Loading 不高。
• CPU bound 指的是系统的 硬盘/内存 效能 相对 CPU 的效能 要好很多，此时，系统运作，大部分的状况是 CPU Loading 100%，CPU 要读/写 I/O (硬盘/内存)，I/O在很短的时间就可以完成，而 CPU 还有许多运算要处理，CPU Loading 很高。
• CPU bound的程序一般而言CPU占用率相当高。这可能是因为任务本身不太需要访问I/O设备，也可能是因为程序是多线程实现因此屏蔽掉了等待I/O的时间。
• 而I/O bound的程序一般在达到性能极限时，CPU占用率仍然较低。这可能是因为任务本身需要大量I/O操作，而pipeline做得不是很好，没有充分利用处理器能力

Python GIL(Global Interpreter Lock)

GIL是必要的，因为CPython的内存管理是非线程安全的。你不能简单地创建多个线程，并希望Python能在多核心的机器上运行得更快。这是 因为 GIL將会防止多个原生线程同时执行Python字节码。换句话说，GIL將序列化您的所有线程。然而，您可以使用线程管理多个派生进程加速程序，这些程 序独立的运行于你的Python代码外。

全局解释器锁GIL设计理念与限制

GIL的设计简化了CPython的实现，使得对象模型，包括关键的内建类型如字典，都是隐含可以并发访问的。锁住全局解释器使得比较容易的实现对多线程的支持，但也损失了多处理器主机的并行计算能力。

但是，不论标准的，还是第三方的扩展模块，都被设计成在进行密集计算任务是，释放GIL。

还有，就是在做I/O操作时，GIL总是会被释放。对所有面向I/O 的(会调用内建的操作系统C 代码的)程序来说，GIL 会在这个I/O 调用之前被释放，以允许其它的线程在这个线程等待I/O 的时候运行。如果是纯计算的程序，没有 I/O 操作，解释器会每隔 100 次操作就释放这把锁，让别的线程有机会执行（这个次数可以通过 sys.setcheckinterval 来调整）如果某线程并未使用很多I/O 操作，它会在自己的时间片内一直占用处理器（和GIL）。也就是说，I/O 密集型的Python 程序比计算密集型的程序更能充分利用多线程环境的好处。

threading模块

直接调用

import threading
import time

def sayhi(num): #定义每个线程要运行的函数

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

    time.sleep(3)

if __name__ == '__main__':

    t1 = threading.Thread(target=sayhi,args=(1,)) #生成一个线程实例
    t2 = threading.Thread(target=sayhi,args=(2,)) #生成另一个线程实例

    t1.start() #启动线程
    t2.start() #启动另一个线程

    print(t1.getName()) #获取线程名
    print(t2.getName())

间接调用

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()

join(join()方法)和daemon（守护线程）

join方法实例

import threading
import time
class MyThread(threading.Thread):
        def __init__(self,id):
                threading.Thread.__init__(self)
                self.id = id
        def run(self):
                x = 0
                time.sleep(10)
                print self.id  

if __name__ == "__main__":
        t1=MyThread(999)
        t1.start()
        t1.join()
        for i in range(5):
                print i

t1.join()会等待子线程执行完毕之后，才执行父进程

daemon守护线程

import threading
import time
class MyThread(threading.Thread):
        def __init__(self,id):
                threading.Thread.__init__(self)
        def run(self):
                time.sleep(5)
                print "This is " + self.getName()  

if __name__ == "__main__":
        t1=MyThread(999)
        t1.setDaemon(True)
        t1.start()
        print "I am the father thread."

t1.setDaemon(True) 把t1线程设为守护线程，当主线程退出之后，不管主线程是否执行完都会退出。

线程锁(互斥锁Mutex)

import time
import threading

def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    print('--get num:',num )
    time.sleep(1)
    lock.acquire() #修改数据前加锁
    num  -=1 #对此公共变量进行-1操作
    lock.release() #修改后释放

num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
lock = threading.Lock() #生成全局锁
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)

for t in thread_list: #等待所有线程执行完毕
    t.join()

print('final num:', num )

RLock递归锁

锁里面包括锁

import threading,time

def run1(): # run1里面又给变量加了锁
    print("grab the first part data")
    lock.acquire()
    global num
    num +=1
    lock.release()
    return num
def run2():
    print("grab the second part data")
    lock.acquire()
    global  num2
    num2+=1
    lock.release()
    return num2
def run3():  #run3里面给run1和run2加了锁
    lock.acquire()
    res = run1()
    print('--------between run1 and run2-----')
    res2 = run2()
    lock.release()
    print(res,res2)

if __name__ == '__main__':

    num,num2 = 0,0
    lock = threading.RLock()
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=run3)  # run3函数
        t.start()

while threading.active_count() != 1:
    print(threading.active_count())
else:
    print('----all threads done---')
    print(num,num2)

Semaphore(信号量)

信号量顾名思义就是控制线程运行的数量

import threading,time

def run(n):
    semaphore.acquire()
    time.sleep(1)
    print("run the thread: %s\n" %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()

while threading.active_count() != 1:
    pass #print threading.active_count()
else:
    print('----all threads done---')
    print(num)

Events

线程间通信

import threading,time
import random
def light():
    if not event.isSet():
        event.set() #wait就不阻塞 #绿灯状态
    count = 0
    while True:
        if count < 10:
            print('\033[42;1m--green light on---\033[0m')
        elif count <13:
            print('\033[43;1m--yellow light on---\033[0m')
        elif count <20:
            if event.isSet():
                event.clear()
            print('\033[41;1m--red light on---\033[0m')
        else:
            count = 0
            event.set() #打开绿灯
        time.sleep(1)
        count +=1
def car(n):
    while 1:
        time.sleep(random.randrange(10))
        if  event.isSet(): #绿灯
            print("car [%s] is running.." % n)
        else:
            print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)
if __name__ == '__main__':
    event = threading.Event()
    Light = threading.Thread(target=light)
    Light.start()
    for i in range(3):
        t = threading.Thread(target=car,args=(i,))
        t.start()

thareading.Event机制类似于一个线程向其它多个线程发号施令的模式，其它线程都会持有一个threading.Event的对象，这些线程都会等待这个事件的“发生”，如果此事件一直不发生，那么这些线程将会阻塞，直至事件的“发生”。

import threading

class mythread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadname):
        threading.Thread.__init__(self, name=threadname)

    def run(self):
        global event
        if event.isSet():
            print("I am in if")
            event.clear()
            event.wait()
            print(self.getName())
        else:
            print("I am in else")
            print(self.getName())
            event.set()

event = threading.Event()
event.set()
t1 = []
for i in range(10):
    t = mythread(str(i))
    t1.append(t)

for i in t1:
    i.start()

event.wait()会阻塞直到有资源，也就是event.set()将标志设置为True。