Python进阶必备：线程模块threading

1. 戏说线程和进程

对于新手来说，首先要理解线程的概念，以及为什么需要线程编程。什么是线程呢？网上一般是这样定义的：线程（thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。哈哈，你听懂了吗？我觉得这样的定义纯粹是自说自话：新手看完了一脸懵逼，老鸟看完了不以为然。咱们还是用白话解释一下吧：

假定你经营着一家物业管理公司。最初，业务量很小，事事都需要你亲力亲为，给老张家修完暖气管道，立马再去老李家换电灯泡——这叫单线程，所有的工作都得顺序执行。

后来业务拓展了，你雇佣了几个工人，这样，你的物业公司就可以同时为多户人家提供服务了——这叫多线程，你是主线程。

工人们使用的工具，是物业管理公司提供的，大家共享——这叫多线程资源共享。

工人们在工作中都需要管钳，可是管钳只有一把——这叫冲突。解决冲突的办法有很多，比如排队、等同事用完后的微信通知等——这叫线程同步。

业务不忙的时候，你就在办公室喝喝茶。下班时间一到，你群发微信，所有的工人不管手头的工作是否完成，都立马撂下工具，跟你走人。因此如果有必要，你得避免不要在工人正忙着的时候发下班的通知——这叫线程守护属性设置和管理。

再后来，你的公司规模扩大了，同时为很多生活社区服务，你在每个生活社区设置了分公司，分公司由分公司经理管理，运营机制和你的总公司几乎一模一样——这叫多进程，总公司叫主进程，分公司叫子进程。

总公司以及各个分公司之间，工具都是独立的，不能借用、混用——这叫进程间不能共享资源。各个分公司之间可以通过专线电话联系——这叫管道。各个分公司之间还可以通过公司公告栏交换信息——这叫共享内存。

分公司可以跟着总公司一起下班，也可以把当天的工作全部做完之后再下班——这叫守护进程设置。

Python 提供了多个模块来支持多线程编程，包括 thread、 threading 和 Queue 模块等。程序是可以使用 thread 和 threading 模块来创建与管理线程。 thread 模块提供了基本的线程和锁定支持；而 threading 模块提供了更高级别、功能更全面的线程管理。我们在这里只讨论 threading 模块。

2. 创建并使用线程

使用 threading 模块的 Thread 类，可以快速创建并启动线程。当然，创建线程之前，你得先把交给线程去做的工作，写成一个函数，我们管这个函数叫线程函数。

threading.Thread 类有以下方法和属性：

我们设计一个任务：你（主线程）启动3个子线程，名字分别是A、B、C。其中A线程启动后，你要先观察5秒钟，再启动其他线程。每个子线程的任务是每隔指定时间间隔就向你问好，并报上自己的名字，你呢，只管睡觉。20秒后，你醒了。你逐一检查了各个子线程的工作状态之后，结束运行。下面是实现代码：

import time import threading def hello(name, t): """线程函数""" for i in range(10): print('Hello, 我是小%s'%name) time.sleep(t) def demo(): A = threading.Thread(target=hello, args=('A',1), name='A') B = threading.Thread(target=hello, args=('B',2), name='B') C = threading.Thread(target=hello, args=('C',3), name='C') #C.setDaemon(True) # 设置子线程在主线程结束时是否无条件跟随主线程一起退出 A.start() A.join(5) # 等待A线程结束，若5秒钟后未结束,则代码继续 B.start() C.start() time.sleep(20) print('进程A%s'%('还在工作中' if A.isAlive() else '已经结束工作',)) print('进程B%s'%('还在工作中' if B.isAlive() else '已经结束工作',)) print('进程C%s'%('还在工作中' if C.isAlive() else '已经结束工作',)) print('下班了。。。') if __name__ == '__main__': demo()

但是，运行这段代码，你会发，当你喊下班的时候，小C并没有立刻撂下手头的活儿跟你走人，而是做完了工作之后才跟你走人——或者说，是你在等他做完工作后一起走人。这里容易产生误会，以为主线程结束后，子线程还会工作到任务完成。这是错误的理解。真相是，主线程不忍心打断正在忙碌的子线程（active），一旦该子线程休眠（inactive），不管任务是否结束，都会被主线程直接带走。

那么如何令子线程在主线程结束时无条件跟随主线程一起走人呢？很简单，在线程 start() 之前，使用 setDaemon(True) 设置该线程为守护线程就可以了。子线程的 daemon 属性默认为 False。

3. 线程同步

3.1 线程锁 Lock

前几天，我想在一个几百人的微信群里统计喜欢吃苹果的人数。有人说，大家从1开始报数吧，并敲了起始数字1，立马有人敲了数字2，3。但是统计很快就进行不下去了，因为大家发现，有好几个人敲4，有更多的人敲5。

这就是典型的资源竞争冲突：统计用的计数器就是唯一的资源，很多人（子线程）都想取得写计数器的资格。怎么办呢？Lock（互斥锁）就是一个很好的解决方案。Lock只能有一个线程获取，获取该锁的线程才能执行，否则阻塞；执行完任务后，必须释放锁。

请看演示代码：

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading lock = threading.Lock() # 创建互斥锁 counter = 0 # 计数器 def hello(): """线程函数""" global counter if lock.acquire(): # 请求互斥锁，如果被占用，则阻塞，直至获取到锁 time.sleep(0.2) # 假装思考、敲键盘需要0.2秒钟 counter += 1 print('我是第%d个'%counter) lock.release() # 千万不要忘记释放互斥锁，否则后果很严重 def demo(): threads = list() for i in range(30): # 假设群里有30人，都喜欢吃苹果 threads.append(threading.Thread(target=hello)) threads[-1].start() for t in threads: t.join() print('统计完毕，共有%d人'%counter) if __name__ == '__main__': demo()

除了互斥锁，线程锁还有另一种形式，叫做递归锁（RLock），又称可重入锁。已经获得递归锁的线程可以继续多次获得该锁，而不会被阻塞，释放的次数必须和获取的次数相同才会真正释放该锁。欲了解详情，同学们可以自行检索资料。

3.2 信号量 Semaphore

上面的例子中，统计用的计数器是唯一的资源，因此使用了只能被一个线程获取的互斥锁。假如共享的资源有多个，多线程竞争时一般使用信号量（Semaphore）同步。信号量有一个初始值，表示当前可用的资源数，多线程执行过程中会通过 acquire() 和 release() 操作，动态的加减信号量。比如，有30个工人都需要电锤，但是电锤总共只有5把。使用信号量（Semaphore）解决竞争的代码如下：

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading S = threading.Semaphore(5) # 有5把电锤可供使用 def us_hammer(id): """线程函数""" S.acquire() # P操作，阻塞式请求电锤， time.sleep(0.2) print('%d号刚刚用完电锤'%id) S.release() # V操作，释放资源（信号量加1） def demo(): threads = list() for i in range(30): # 有30名工人要求使用电锤 threads.append(threading.Thread(target=us_hammer, args=(i,))) threads[-1].start() for t in threads: t.join() print('所有线程工作结束') if __name__ == '__main__': demo()

3.3 事件Event

想象我们每天早上上班的场景：为了不迟到，总得提前几分钟（我一般都会提前30分钟）到办公室，打卡之后，一看表，还不到工作时间，大家就看看新闻、聊聊天啥的；工作时间一到，立马开工。如果有人迟到了呢，自然就不能看新闻聊天了，得立即投入工作中。

这个场景中，每个人代表一个线程，工作时间到，表示事件(Event)发生。事件发生前，线程会调用 wait() 方法阻塞自己（对应看新闻聊天），一旦事件发生，会唤醒所有调用 wait() 而进入阻塞状态的线程。

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading E = threading.Event() # 创建事件 def work(id): """线程函数""" print('<%d号员工>上班打卡'%id) if E.is_set(): # 已经到点了 print('<%d号员工>迟到了'%id) else: # 还不到点 print('<%d号员工>浏览新闻中...'%id) E.wait() # 等上班铃声 print('<%d号员工>开始工作了...'%id) time.sleep(10) # 工作10秒后下班 print('<%d号员工>下班了'%id) def demo(): E.clear() # 设置为“未到上班时间” threads = list() for i in range(3): # 3人提前来到公司打卡 threads.append(threading.Thread(target=work, args=(i,))) threads[-1].start() time.sleep(5) # 5秒钟后上班时间到 E.set() time.sleep(5) # 5秒钟后,大佬(9号)到 threads.append(threading.Thread(target=work, args=(9,))) threads[-1].start() for t in threads: t.join() print('都下班了，关灯关门走人') if __name__ == '__main__': demo()

3.4 条件 Condition

两位小朋友，Hider 和 Seeker，打算玩一个捉迷藏的游戏，规则是这样的：Seeker 先找个眼罩把眼蒙住，喊一声“我已经蒙上眼了”；听到消息后，Hider 就找地方藏起来，藏好以后，也要喊一声“我藏好了，你来找我吧”；Seeker 听到后，也要回应一声“我来了”，捉迷藏正式开始。各自随机等了一段时间后，两位小朋友都憋住了跑了出来。谁先跑出来，就算谁输。

# -*- encoding: utf8 -*- import time import threading import random cond = threading.Condition() # 创建条件对象 draw_Seeker = False # Seeker小朋友认输 draw_Hidwer = False # Hider小朋友认输 def seeker(): """Seeker小朋友的线程函数""" global draw_Seeker, draw_Hidwer time.sleep(1) # 确保Hider小朋友已经进入消息等待状态 cond.acquire() # 阻塞时请求资源 time.sleep(random.random()) # 假装蒙眼需要花费时间 print('Seeker: 我已经蒙上眼了') cond.notify() # 把消息通知到Hider小朋友 cond.wait() # 释放资源并等待Hider小朋友已经藏好的消息 print('Seeker: 我来了') # 收到Hider小朋友已经藏好的消息后 cond.notify() # 把消息通知到Hider小朋友 cond.release() # 不要再听消息了，彻底释放资源 time.sleep(random.randint(3,10)) # Seeker小朋友的耐心只有3-10秒钟 if draw_Hidwer: print('Seeker: 哈哈，我找到你了，我赢了') else: draw_Seeker = True print('Seeker: 算了，我找不到你，我认输啦') def hider(): """Hider小朋友的线程函数""" global draw_Seeker, draw_Hidwer cond.acquire() # 阻塞时请求资源 cond.wait() # 如果先于Seeker小朋友请求到资源，则立刻释放并等待 time.sleep(random.random()) # 假装找地方躲藏需要花费时间 print('Hider: 我藏好了，你来找我吧') cond.notify() # 把消息通知到Seeker小朋友 cond.wait() # 释放资源并等待Seeker小朋友开始找人的消息 cond.release() # 不要再听消息了，彻底释放资源 time.sleep(random.randint(3,10)) # Hider小朋友的耐心只有3-10秒钟 if draw_Seeker: print('Hider: 哈哈，你没找到我，我赢了') else: draw_Hidwer = True print('Hider: 算了，这里太闷了，我认输，自己出来吧') def demo(): th_seeker = threading.Thread(target=seeker) th_hider = threading.Thread(target=hider) th_seeker.start() th_hider.start() th_seeker.join() th_hider.join() if __name__ == '__main__': demo()

Python 任务调度

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