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python 多线程编程之threading模块(Thread类)创建线程的三种方法

摘录 python核心编程

上节介绍的thread模块,是不支持守护线程的。当主线程退出的时候,所有的子线程都将终止,不管他们是否仍在工作。

本节开始,我们开始介绍python的另外多线程模块threading,该模块支持守护线程,其工作方式:守护线程一般是一个等待客户端请求的服务器。如果没有客户端请求,守护线程就是空闲的。如果把一个线程设置为守护线程,就表示这个线程是不重要的,进程退出时不需要等待这个线程执行完成。

如果主线程准备退出的时候,不需要等待某些子线程完成,就可以为这些子线程设置守护线程标记。该标记值为真的时候,标示线程是不重要的,或者说该线程只是用来等待客户端请求而不做其他任何事情。

使用下面的语句:thread.daemon=True 可以将一个线程设置为守护线程。同样的也可以通过这个值来查看线程的守护状态。一个新的子线程会继承父线程的守护标记。整个python程序(也可以称作主线程)将在所有的非守护线程退出之后才退出。

threading模块除了Thread类之外,还包括许多好用的同步机制:

对象 描述
Thread 表示一个执行线程的对象
Lock 锁对象
RLock 可重入锁对象,使单一线程可以(再次)获得已持有的锁(递归锁)
Condition 条件变量对象,使得一个线程等待另外一个线程满足特定的条件,比如改变状态或者某个数据值
Event 条件变量的通用版本,任意数量的线程等待某个事件的发生,在该事件发生后所有的线程都将被激活
Semaphore 为线程间的有限资源提供一个计数器,如果没有可用资源时会被阻塞
BoundedSemaphore 于Semaphore相似,不过它不允许超过初始值
Timer 于Thread类似,不过它要在运行前等待一定时间
Barrier 创建一个障碍,必须达到指定数量的线程后才可以继续

其中,Thread类是threading模块的主要执行对象。

下面是Thread类的属性和方法列表:

属性 描述
Thread类属性
name 线程名
ident 线程的标识符
daemon 布尔值,表示这个线程是否是守护线程
Thread类方法
__init__(group=None,target=None,name=None,args=(),kwargs={},verbose=None,daemon=None) 实例化一个线程对象,需要一个可调用的target对象,以及参数args或者kwargs。还可以传递name和group参数。daemon的值将会设定thread.daemon的属性
start() 开始执行该线程
run() 定义线程的方法。(通常开发者应该在子类中重写)
join(timeout=None) 直至启动的线程终止之前一直挂起;除非给出了timeout(单位秒),否则一直被阻塞
getName() 返回线程名(该方法已被弃用)
setName() 设定线程名(该方法已弃用)
isAlive 布尔值,表示这个线程是否还存活(驼峰式命名,python2.6版本开始已被取代)
isDaemon() 布尔值,表示是否是守护线程(已经弃用)
setDaemon(布尔值) 在线程start()之前调用,把线程的守护标识设定为指定的布尔值(已弃用)

 

使用Thread类,可以有多种方法创建线程:

  • 创建Thread类的实例,传递一个函数
  • 创建Thread类的实例,传递一个可调用的类实例
  • 派生Thread类的子类,并创建子类的实例

一般的,我们会采用第一种或者第三种方法。如果需要一个更加符合面向对象的接口时,倾向于选择第三种方法,否则就用第一种方法吧。

第一种方法:创建Thread类,传递一个函数

下面的脚本中,我们先实例化Thread类,并传递一个函数(及其参数),当线程执行的时候,函数也会被执行:

#!/usr/bin/env/ python

import threading
from time import sleep,ctime
#不再把4秒和2秒硬性的编码到不同的函数中,而是使用唯一的loop()函数,并把这些常量放进列表loops中
loops=[4,2]

def loop(nloop,nsec):
    print('开始循环',nloop,'at:',ctime())
    sleep(nsec)
    print('循环',nloop,'结束于:',ctime())
    
def main():
    print('程序开始于:',ctime())
    threads=[]
    nloops=range(len(loops))
    
    for i in nloops:
        t=threading.Thread(target=loop,args=(i,loops[i])) #循环 实例化2个Thread类,传递函数及其参数,并将线程对象放入一个列表中
        threads.append(t)
        
    for i in nloops:
        threads[i].start()  #循环 开始线程
        
    for i in nloops:
        threads[i].join()   #循环 join()方法可以让主线程等待所有的线程都执行完毕。
        
    print('任务完成于:',ctime())
    
if __name__=='__main__':
    main()

执行结果:

PS C:\Users\WC> python E:\Python3.6.3\workspace\mtsleepC.py
程序开始于: Thu Mar 29 21:35:13 2018
开始循环 0 at: Thu Mar 29 21:35:13 2018
开始循环 1 at: Thu Mar 29 21:35:13 2018
循环 1 结束于: Thu Mar 29 21:35:15 2018
循环 0 结束于: Thu Mar 29 21:35:17 2018
任务完成于: Thu Mar 29 21:35:17 2018

和上节的thread模块相比,不同点在于:实现同样的效果,thread模块需要锁对象,而threading模块的Thread类不需要。实例化Thread(调用Thread())和调用thread.start_new_thread()的最大区别就是新线程不会立即执行!这是一个非常有用的同步功能,尤其在我们不希望线程立即开始执行的时候。

当所有的线程都分配完成之后,通过调用每个线程的start()方法再让他们开始。相比于thread模块的管理一组锁(分配、获取、释放检查锁状态)来说,threading模块的Thread类只需要为每个线程调用join()方法即可。join(timeout=None)方法将等待线程结束,或者是达到指定的timeout时间时。这种锁又称为自旋锁。

最重要的是:join()方法,其实你根本不需要调用它。一旦线程启动,就会一直执行,直到给定的函数完成后退出。如果主线程还有其他事情要做(并不需要等待这些线程完成),可以不调用join()。join()只有在你需要等待线程完成时候才是有用的。

例如上面的脚本中,我们注释掉join()代码:

……  
  for i in nloops:
        threads[i].start()  #循环 开始线程
    ''' 
    for i in nloops:
        threads[i].join()   #循环 join()方法可以让主线程等待所有的线程都执行完毕。
    '''    
    print('任务完成于:',ctime())
    
if __name__=='__main__':
    main()

运行结果:

PS C:\Users\WC> python E:\Python3.6.3\workspace\mtsleepC.py
程序开始于: Thu Mar 29 21:55:10 2018
开始循环 0 at: Thu Mar 29 21:55:10 2018
开始循环 1 at: Thu Mar 29 21:55:10 2018
任务完成于: Thu Mar 29 21:55:10 2018
循环 1 结束于: Thu Mar 29 21:55:12 2018
循环 0 结束于: Thu Mar 29 21:55:14 2018

我们发现:主线程的任务比两个循环线程要先执行(任务完成于……在 循环X结束……的前面)

第二种方法:创建Thread类的实例,传递一个可调用的类实例

创建线程时,于传入函数类似的方法是传入一个可调用的类的实例,用于线程执行——这种方法更加接近面向对象的多线程编程。比起一个函数或者从一个函数组中选择而言,这种可调用的类包含一个执行环境,有更好的灵活性。

在上述的mtsleepC.py脚本中添加一个新类ThreadFunc,稍微改动一番,形成mtsleepD.py文件:

#!/usr/bin/env python

import threading
from time import sleep,ctime

loops=[4,2]

class ThreadFunc(object):
    def __init__(self,func,args,name=''):
        self.name=name
        self.func = func
        self.args=args
        
    def __call__(self):
        self.func(*self.args)
        
def loop(nloop,nsec):
    print('开始循环',nloop,'在:',ctime())
    sleep(nsec)
    print('结束循环',nloop,'于:',ctime())
    
def main():
    print('程序开始于:',ctime())
    threads = []
    nloops = range(len(loops))
    
    for i in nloops:
        t = threading.Thread(target=ThreadFunc(loop,(i,loops[i]),loop.__name__)) #传递一个可调用类的实例
        threads.append(t)
        
    for i in nloops:
        threads[i].start()  #开始所有的线程
        
    for i in nloops:
        threads[i].join()   #等待所有的线程执行完毕
        
    print('任务完成于:',ctime())
    
if __name__=='__main__':
    main()

执行结果:

PS C:\Users\WC> python E:\Python3.6.3\workspace\mtsleepD.py
程序开始于: Thu Mar 29 22:30:02 2018
开始循环 0 在: Thu Mar 29 22:30:02 2018
开始循环 1 在: Thu Mar 29 22:30:02 2018
结束循环 1 于: Thu Mar 29 22:30:04 2018
结束循环 0 于: Thu Mar 29 22:30:06 2018
任务完成于: Thu Mar 29 22:30:06 2018

上述脚本中,主要添加了ThreadFunc类,并在实例化Thread对象时,通过传参的形式同时实例化了可调用类ThreadFunc。这里同时完成了两个实例化。

我们研究一下创建ThreadFunc类的思想:我们希望这个类更加通用,而不是局限于loop()函数,为此,添加了一些新的东西,比如这个类保存了函数自身、函数的参数、以及函数名。构造函数__init__()用于设定上述值。当创建新线程的时候,Thread类的代码将调用ThreadFunc对象,此时会调用__call__()这个特殊方法。

(老实说,这种方法显得有些尴尬,并且稍微难以阅读)

第三种方法:派生Thread的子类,并创建子类的实例

和方法二相比,方法三再创建线程时使用子类要相对更容易阅读,下面是mtsleepE.py脚本:

#!/usr/bin/env pyhton

import threading
from time import sleep,ctime

loops=[4,2]

class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self,func,args,name=''):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.name = name
        self.func = func
        self.args = args
        
    def run(self):
        self.func(*self.args)
        
def loop(nloop,nsec):
    print('开始循环',nloop,'在:',ctime())
    sleep(nsec)
    print('结束循环',nloop,'于:',ctime())
    
def main():
    print('程序开始于:',ctime())
    threads = []
    nloops = range(len(loops))
    
    for i in nloops:
        t = MyThread(loop,(i,loops[i]),loop.__name__)
        threads.append(t)
        
    for i in nloops:
        threads[i].start()
        
    for i in nloops:
        threads[i].join()
        
    print('所有的任务完成于:',ctime())
    
if __name__ =='__main__':
    main()

运行结果:

PS C:\Users\WC> python E:\Python3.6.3\workspace\mtsleepE.py
程序开始于: Thu Mar 29 22:52:18 2018
开始循环 0 在: Thu Mar 29 22:52:18 2018
开始循环 1 在: Thu Mar 29 22:52:18 2018
结束循环 1 于: Thu Mar 29 22:52:20 2018
结束循环 0 于: Thu Mar 29 22:52:22 2018
所有的任务完成于: Thu Mar 29 22:52:22 2018

比较方法二和方法三,重要的变化在于:MyThread子类的构造函数必须先调用其父类的构造函数;重写run()方法,代替方法二中的__call__()方法。

优化第三种方法:

对MyThread类进行修改,增加一些调试信息的输出,并将该类单独存储为myThread.py的模块(MyThread.py),以便在以后的例子中需要的时候导入这个类。另外,除了简单的调用函数外,还可以将结果保存在实例的属性self.res中,同时增加新的方法getResult()来获取这个值:

#!/usr/bin/env python

import threading
from time import ctime

class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self,func,args,name=''):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.func = func
        self.name = name
        self.args = args
        
    def run(self):
        print('开始执行',self.name,' 在:',ctime())
        self.res = self.func(*self.args)
        print(self.name,'结束于:',ctime())
        
    def getResult(self):
        return self.res

下面,我们介绍多线程和单线程执行效果对比的时候,会用到这个MyThread.py模块。

脚本mtfacfib.pt,比较了递归求斐波那契、阶乘和累计函数的执行,分别按照单线程和多线程的方式执行同样的任务:

#!/usr/bin/env python

from myThread import MyThread
from time import ctime,sleep
#斐波那契
def fib(x):
    sleep(0.005)
    if x < 2:
        return 1
    return fib(x-1)+fib(x-2)
#阶乘
def fac(x):
    sleep(0.1)
    if x < 2:
        return 1
    return x*fac(x-1)
#累加
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))
    
    #单线程
    print('单线程模式')
    for i in nfuncs:
        print('开始',funcs[i].__name__,' 在:',ctime())
        print(funcs[i](n))
        print(funcs[i].__name__,'结束于:',ctime())
        
    #多线程
    print('多线程模式')
    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('所有的任务结束')
    
if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果:

PS C:\Users\WC> python E:\Python3.6.3\workspace\mtfacfib.py
单线程模式
开始 fib  在: Fri Mar 30 14:08:43 2018
fib 结束于: Fri Mar 30 14:08:45 2018
开始 fac  在: Fri Mar 30 14:08:45 2018
fac 结束于: Fri Mar 30 14:08:46 2018
开始 sum  在: Fri Mar 30 14:08:46 2018
sum 结束于: Fri Mar 30 14:08:48 2018
多线程模式
开始执行 fib  在: Fri Mar 30 14:08:48 2018
开始执行 fac  在: Fri Mar 30 14:08:48 2018
开始执行 sum  在: Fri Mar 30 14:08:48 2018
fac 结束于: Fri Mar 30 14:08:49 2018
sum 结束于: Fri Mar 30 14:08:49 2018
fib 结束于: Fri Mar 30 14:08:50 2018
479001600
所有的任务结束

程序中,为了看到多线程如何改善性能的,我们加入了sleep函数用于减慢执行速度。

看到单线程模式中,只是简单的一次调用每个函数,并在函数结束执行的时候立即显示相关的结果;而使用多线程的时候,并不会立刻显示结果,因为我们希望MyThread类越通用越好(有输出和无输出都能执行),我们一直等到所有线程都join之后,再调用getResult()方法显示每个函数的返回值。

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