Python：多线程编程

1.IO编程

IO（input/output）。凡是用到数据交换的地方，都会涉及io编程，例如磁盘，网络的数据传输。在IO编程中，stream（流）是一种重要的概念，分为输入流（input stream）和输出流（output stream）。可以把流季节为一个水管，数据相当于水管中的水，但是只能单向流动，所以数据传输过程中需要假设两个水管，一个负责输入，一个负责输出，这样读写就可以实现同步。

2.GIL:global interpreter lock全局解释器锁

在Python中，GIL导致同一时刻只有一个线程进入解释器。

计算机有些操作不依赖于CPU，I/O操作几乎不利用，IO密集型不占用CPU，多线程可完成

计算操作都要用到CPU，适合多进程

• IO密集型任务或函数，可以用多线程
• 计算密集型任务函数，sorry，改C
• 计算密集型程序适合C语言多线程，I/O密集型适合脚本语言开发的多线程

线程和进程的区别：

• 线程共享创建它的进程的地址空间; 进程有自己的地址空间。
• 线程可以直接访问其进程的数据段; 进程有自己的父进程的数据段副本。
• 线程可以直接与其进程的其他线程进行通信; 进程必须使用进程间通信来与兄弟进程进行通信。
• 新线程很容易创建; 新进程需要父进程的重复。
• 线程可以对相同进程的线程进行相当的控制;
• 流程只能控制子进程。
• 对主线程的更改（取消，优先级更改等）可能会影响进程的其他线程的行为; 对父进程的更改不会影响子进程。

进程优点：同时利用多个CPU，同时进行多个操作；缺点：耗费资源（需要开辟多个内存空间）

线程优点：共享多个资源，IO操作，创造并发操作；缺点：抢占资源

3.threading模块

threading模块对象

Thread    表示一个线程的执行的对象
Lock    锁原语对象（跟thread模块里的锁对象相同）
RLock    可重入锁对象。使单线程可以再次获得已经获得了的锁（递归锁定）
Condition条件变量对象能让一个线程停下来，等待其他线程满足了某个“条件”。如状态的改变或值的改变
Event    通用的条件变量。多个线程可以等待某个时间的发生，在事件发生后，所有的线程都被激活
Semaphore    为等待锁的线程提供一个类似“等候室”的结构
BoundedSemaphore    与Semaphore类似，只是它不允许超过初始值
Timer    与thread类似，只是它要等待一段时间后才开始运行
Barrier    创建一个障碍，必须达到指定数量的线程后才可以继续

3.1线程的两种调用方式

#直接调用
import time
import threading

begin=time.time()
def foo(n):
    print('start-foo%s'%n)
    time.sleep(1)
    print('end foo')

def bar(n):
    print('start-bar%s'%n)
    time.sleep(2)
    print('end bar')

# foo(2)
# bar(2)
t1=threading.Thread(target=foo,args=(1,))
t2=threading.Thread(target=bar,args=(1,))
t1.start()
t2.start()
end=time.time()
print('_________main_________')
print(t1.getName())
print(t2.getName())
print(end-begin)

#继承式调用
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(4)

if __name__ == '__main__':
    t1 = MyThread(111)
    t2 = MyThread(222)
    t1.start()
    t2.start()

threading的Thread类主要的运行对象

函数
start()                开始线程的执行
run()                定义线程的功能的函数（一般会被子类重写）
join(timeout=None)    程序挂起，直到线程结束；如果给了timeout，则最多阻塞timeout秒
getName()            返回线程的名字
setName(name)        设置线程的名字
isAlive()            布尔标志，表示这个线程是否还在运行中
isDaemon()            返回线程的daemon标志
setDaemon(daemonic)    把线程的daemon标志设为daemonic（一定要在调用start()函数前调用）
threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。
threading.enumerate(): 返回一个包含正在运行的线程的list。正在运行指线程启动后、结束前，不包括启动前和终止后的线程。

3.2 join and setDaemon

import threading
from time import ctime,sleep

def music(func):
    for i in range(2):
        print ("Begin listening to %s. %s" %(func,ctime()))
        sleep(2)
        print("end listening %s"%ctime())

def move(func):
    for i in range(2):
        print ("Begin watching at the %s! %s" %(func,ctime()))
        sleep(5)
        print('end watching %s'%ctime())

threads = []
t1 = threading.Thread(target=music,args=('七里香',))
threads.append(t1)
t2 = threading.Thread(target=move,args=('阿甘正传',))
threads.append(t2)

# join在子线程完成运行之前，这个子线程的父线程将一直被阻塞。
if __name__ == '__main__':
    t2.setDaemon(True)
    for t in threads:
        t.setDaemon(True)#守护线程，必须在start() 方法调用之前设置， 如果不设置为守护线程程序会被无限挂起。
        t.start()
        # t.join()#跟线程没有关系了，像正常一样运行，没意义
    t1.join()
    # t2.join()########考虑这三种join位置下的结果？
    print(threading.current_thread())
    print(threading.active_count())
    print ("all over %s" %ctime())

join()会等到线程结束，或者在给了timeout参数的时候，等到超时为止。使用join()比使用一个等待锁释放的无限循环清楚一些（也称“自旋锁”）。

join()的另一个比较重要的方法是它可以完全不用调用。一旦线程启动后，就会一直运行，直到线程的函数结束，退出为止。
如果你的主线程除了等线程结束外，还有其他的事情要做（如处理或等待其他的客户请求），那就不用调用join()，只有在你要等待线程结束的时候才要调用join()。

setDaemon(True)：将线程声明为守护线程，必须在start() 方法调用之前设置， 如果不设置为守护线程程序会被无限挂起。这个方法基本和join是相反的。当我们 在程序运行中，执行一个主线程，如果主线程又创建一个子线程，主线程和子线程 就分兵两路，分别运行，那么当主线程完成想退出时，会检验子线程是否完成。如 果子线程未完成，则主线程会等待子线程完成后再退出。但是有时候我们需要的是 只要主线程完成了，不管子线程是否完成，都要和主线程一起退出，这时就可以 用setDaemon方法

3.3 同步锁Lock

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。

import time
import threading
def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    num-=1
    temp=num
    print('--get num:',num )
    print('看下结果是0')
    print('再看下结果')
    time.sleep(0.001)
    num =temp-1 #对此公共变量进行-1操作

num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
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 )

注意：

1:  why num-=1没问题呢？这是因为动作太快(完成这个动作在切换的时间内)

2： if sleep(1),现象会更明显，100个线程每一个一定都没有执行完就进行了切换，我们说过sleep就等效于IO阻塞，1s之内不会再切换回来，所以最后的结果一定是99.

多个线程都在同时操作同一个共享资源，所以造成了资源破坏，怎么办呢？

有同学会想用join呗，但join会把整个线程给停住，造成了串行，失去了多线程的意义，而我们只需要把计算(涉及到操作公共数据)的时候串行执行。

我们可以通过同步锁来解决这种问题

import time
import threading
begin=time.time()
def addNum():
    global num #在每个线程中都获取这个全局变量
    # num-=1
    lock.acquire()
    temp=num
    # print('--get num:',num )
    time.sleep(0.0001)
    num =temp-1 #对此公共变量进行-1操作
    lock.release()
num = 100  #设定一个共享变量
thread_list = []
lock=threading.Lock()
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()
end=time.time()
print('final num:', num )
print(end-begin)

同步锁与GIL的关系？

Python的线程在GIL的控制之下，线程之间，对整个python解释器，对python提供的C API的访问都是互斥的，这可以看作是Python内核级的互斥机制。但是这种互斥是我们不能控制的，我们还需要另外一种可控的互斥机制———用户级互斥。内核级通过互斥保护了内核的共享资源，同样，用户级互斥保护了用户程序中的共享资源。

GIL 的作用是：对于一个解释器，只能有一个thread在执行bytecode。所以每时每刻只有一条bytecode在被执行一个thread。GIL保证了bytecode 这层面上是thread safe的。
但是如果你有个操作比如 x += 1，这个操作需要多个bytecodes操作，在执行这个操作的多条bytecodes期间的时候可能中途就换thread了，这样就出现了data races的情况了。

Lock（指令锁）是可用的最低级的同步指令。Lock处于锁定状态时，不被特定的线程拥有。Lock包含两种状态——锁定和非锁定，
以及两个基本的方法。可以认为Lock有一个锁定池，当线程请求锁定时，将线程至于池中，直到获得锁定后出池。
池中的线程处于状态图中的同步阻塞状态。
构造方法：Lock()
实例方法：
acquire([timeout]): 使线程进入同步阻塞状态，尝试获得锁定。
release(): 释放锁。使用前线程必须已获得锁定，否则将抛出异常。

3.4 线程死锁和递归锁

在线程间共享多个资源的时候，如果两个线程分别占有一部分资源并且同时等待对方的资源，就会造成死锁，因为系统判断这部分资源都正在使用，所有这两个线程在无外力作用下将一直等待下去。

RLock（可重入锁）是一个可以被同一个线程请求多次的同步指令。RLock使用了“拥有的线程”和“递归等级”的概念，
处于锁定状态时，RLock被某个线程拥有。拥有RLock的线程可以再次调用acquire()，释放锁时需要调用release()相同次数。
可以认为RLock包含一个锁定池和一个初始值为0的计数器，每次成功调用 acquire()/release()，计数器将+1/-1，为0时锁处于未锁定状态。
构造方法：RLock()
实例方法：acquire([timeout])/release(): 跟Lock差不多。

#__author: greg
#date: 2017/9/17 21:38
# 线程死锁和递归锁
# Thread deadlocks and recursive locks
import threading,time
class myThread(threading.Thread):
    def doA(self):
        lockA.acquire()
        print(self.name,"gotlockA",time.ctime())
        time.sleep(3)
        lockB.acquire()
        print(self.name,"gotlockB",time.ctime())
        lockB.release()
        lockA.release()

    def doB(self):
        lockB.acquire()
        print(self.name,"gotlockB",time.ctime())
        time.sleep(2)
        lockA.acquire()
        print(self.name,"gotlockA",time.ctime())
        lockA.release()
        lockB.release()

    def run(self):
        self.doA()
        self.doB()

if __name__=="__main__":
    lockA=threading.Lock()
    lockB=threading.Lock()
    threads=[]
    for i in range(5):
        threads.append(myThread())
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()#等待线程结束

解决办法：使用递归锁，将 lockA=threading.Lock() lockB=threading.Lock()

改为Rlock
为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了“可重入锁”：threading.RLock。RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次acquire。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。

#__author: greg
#date: 2017/9/17 21:49
import threading,time
class myThread(threading.Thread):
    def doA(self):
        lock.acquire()
        print(self.name,"gotlockA",time.ctime())
        # time.sleep(2)
        lock.acquire()
        print(self.name,"gotlockB",time.ctime())
        lock.release()
        lock.release()

    def doB(self):
        lock.acquire()
        print(self.name,"gotlockC",time.ctime())
        # time.sleep(3)
        lock.acquire()
        print(self.name,"gotlockD",time.ctime())
        lock.release()
        lock.release()

    def run(self):
        self.doA()
        self.doB()

if __name__=="__main__":
    # lockA=threading.Lock()
    # lockB=threading.Lock()
    lock = threading.RLock()
    threads=[]
    for i in range(5):
        threads.append(myThread())
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()#等待线程结束

3.5 单线程和多线程执行对比

import threading
from time import ctime, sleep

class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, func, args, name='', verb=False):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.name = name
        self.func = func
        self.args = args
        self.verb = verb

    def getResult(self):
        return self.res

    def run(self):
        if self.verb:
            print('starting', self.name, 'at:', ctime())
        self.res = self.func(*self.args)
        if self.verb:
            print(self.name, 'finished at:', ctime())

def fib(x):
    sleep(0.005)
    if x < 2: return 1
    return (fib(x-2) + fib(x-1))

def fac(x):
    sleep(0.1)
    if x < 2: return 1
    return (x * fac(x-1))

def sum(x):
    sleep(0.1)
    if x < 2: return 1
    return (x + sum(x-1))

funcs = (fib, fac, sum)
n = 12

def main():
    nfuncs = range(len(funcs))
    print('*** SINGLE THREAD')
    for i in nfuncs:
        print('starting', funcs[i].__name__,'at:', ctime())
        print(funcs[i](n))
        print(funcs[i].__name__, 'finished at:',ctime())
    print('\n*** MULTIPLE THREADS')
    threads = []
    for i in nfuncs:
        t = MyThread(funcs[i], (n,),
        funcs[i].__name__)
        threads.append(t)
    for i in nfuncs:
        threads[i].start()
    for i in nfuncs:
        threads[i].join()
        print(threads[i].getResult())
    print('all DONE')

if __name__ == '__main__':
    main()

3.6 条件变量同步(Condition)

有一类线程需要满足条件之后才能够继续执行，Python提供了threading.Condition 对象用于条件变量线程的支持，它除了能提供RLock()或Lock()的方法外，还提供了 wait()、notify()、notifyAll()方法。

lock_con=threading.Condition([Lock/Rlock])： 锁是可选选项，不传人锁，对象自动创建一个RLock()。Condition（条件变量）通常与一个锁关联。需要在多个Contidion中共享一个锁时，可以传递一个Lock/RLock实例给构造方法，否则它将自己生成一个RLock实例。可以认为，除了Lock带有的锁定池外，Condition还包含一个等待池，池中的线程处于状态图中的等待阻塞状态，直到另一个线程调用notify()/notifyAll()通知；得到通知后线程进入锁定池等待锁定。

构造方法： Condition([lock/rlock])
实例方法：
acquire([timeout])/release(): 调用关联的锁的相应方法。
wait([timeout]): 调用这个方法将使线程进入Condition的等待池等待通知，并释放锁。使用前线程必须已获得锁定，否则将抛出异常。
notify(): 调用这个方法将从等待池挑选一个线程并通知，收到通知的线程将自动调用acquire()尝试获得锁定（进入锁定池）；
其他线程仍然在等待池中。调用这个方法不会释放锁定。使用前线程必须已获得锁定，否则将抛出异常。
notifyAll(): 调用这个方法将通知等待池中所有的线程，这些线程都将进入锁定池尝试获得锁定。
调用这个方法不会释放锁定。使用前线程必须已获得锁定，否则将抛出异常。
wait()：条件不满足时调用，线程会释放锁并进入等待阻塞；
notify()：条件创造后调用，通知等待池激活一个线程；
notifyAll()：条件创造后调用，通知等待池激活所有线程。

#__author: greg
#date: 2017/9/18 11:21
import threading
import time
product = None# 商品
con = threading.Condition()# 条件变量
def produce():# 生产者方法
    global product
    if con.acquire():
        while True:
            if product is None:
                print('produce...')
                product = 'anything'
                con.notify() # 通知消费者，商品已经生产
            con.wait()# 等待通知
            time.sleep(2)

def consume():# 消费者方法
    global product
    if con.acquire():
        while True:
            if product is not None:
                print('consume...')
                product = None
                con.notify()  # 通知生产者，商品已经没了
            con.wait()  # 等待通知
            time.sleep(2)

t1 = threading.Thread(target=produce)
t2 = threading.Thread(target=consume)
t2.start()
t1.start()

3.7 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

event.isSet()：返回event的状态值；

event.wait()：如果 event.isSet()==False将阻塞线程；

event.set()： 设置event的状态值为True，所有阻塞池的线程激活进入就绪状态， 等待操作系统调度；

event.clear()：恢复event的状态值为False。

#__author: greg
#date: 2017/9/18 19:37
import threading
import time

event = threading.Event()

def func():
    # 等待事件，进入等待阻塞状态
    print('%s wait for event...' % threading.currentThread().getName())
    event.wait()
    # 收到事件后进入运行状态
    print('%s recv event.' % threading.currentThread().getName())

t1 = threading.Thread(target=func)
t2 = threading.Thread(target=func)
t1.start()
t2.start()
time.sleep(2)
print('MainThread set event.')# 发送事件通知
event.set()

threading基于Java的线程模型设计。锁（Lock）和条件变量（Condition）在Java中是对象的基本行为（每一个对象都自带了锁和条件变量），
而在Python中则是独立的对象。Python Thread提供了Java Thread的行为的子集；没有优先级、线程组，线程也不能被停止、暂停、恢复、中断。
Java Thread中的部分被Python实现了的静态方法在threading中以模块方法的形式提供。
threading 模块提供的常用方法：
threading.currentThread(): 返回当前的线程变量。
threading.enumerate(): 返回一个包含正在运行的线程的list。正在运行指线程启动后、结束前，不包括启动前和终止后的线程。
threading.activeCount(): 返回正在运行的线程数量，与len(threading.enumerate())有相同的结果。

Event（事件）是最简单的线程通信机制之一：一个线程通知事件，其他线程等待事件。
Event内置了一个初始为False的标志，当调用set()时设为True，调用clear()时重置为 False
wait()将阻塞线程至等待阻塞状态。Event其实就是一个简化版的 Condition
Event没有锁，无法使线程进入同步阻塞状态。
构造方法：
Event()实例方法
isSet(): 当内置标志为True时返回True。
set(): 将标志设为True，并通知所有处于等待阻塞状态的线程恢复运行状态。
clear(): 将标志设为False。
wait([timeout]): 如果标志为True将立即返回，否则阻塞线程至等待阻塞状态，等待其他线程调用set()。
3.8信号量(Semaphore)

Semaphore/BoundedSemaphore

Semaphore（信号量）是计算机科学史上最古老的同步指令之一。Semaphore管理一个内置的计数器，

每当调用acquire()时-1，调用release() 时+1。计数器不能小于0；当计数器为0时，
acquire()将阻塞线程至同步锁定状态，直到其他线程调用release()。
基于这个特点，Semaphore经常用来同步一些有“访客上限”的对象，比如连接池。
BoundedSemaphore 与Semaphore的唯一区别在于前者将在调用release()时检查计数器的值是否超过了计数器的初始值，
如果超过了将抛出一个异常。
构造方法： Semaphore(value=1): value是计数器的初始值。
实例方法：
acquire([timeout]): 请求Semaphore。如果计数器为0，将阻塞线程至同步阻塞状态；否则将计数器-1并立即返回。
release(): 释放Semaphore，将计数器+1，如果使用BoundedSemaphore，还将进行释放次数检查。
release()方法不检查线程是否已获得 Semaphore。

#__author: greg
#date: 2017/9/18 10:02
import threading,time
class myThread(threading.Thread):
    def run(self):
        if semaphore.acquire():
            print(self.name)
            time.sleep(3)
            semaphore.release()

if __name__=="__main__":
    semaphore=threading.Semaphore(10)
    thrs=[]
    for i in range(100):
        thrs.append(myThread())
    for t in thrs:
        t.start()

#__author: greg
#date: 2017/9/18 11:28
import threading
import time
semaphore = threading.Semaphore(2)# 计数器初值为2,比较4
# semaphore = threading.BoundedSemaphore(2)
def func():
    # 请求Semaphore，成功后计数器-1；计数器为0时阻塞
    print('%s acquire semaphore...' % threading.currentThread().getName())
    if semaphore.acquire():
        print('%s get semaphore' % threading.currentThread().getName())
        time.sleep(4)
        print('%s release semaphore' % threading.currentThread().getName())# 释放Semaphore，计数器+1
        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)
# 没有获得semaphore的主线程也可以调用release
# 若使用BoundedSemaphore，t4释放semaphore时将抛出异常
print('MainThread release semaphore without acquire')
semaphore.release()

实例2