Python 多線程入門，這一篇文章就夠了
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Python 和多線程
提及 Python 啊，我想你首先想到的就是「人生苦短，我用 Python」了?，F(xiàn)在 Python 的熱度可謂是非常的高，感覺程序員要是不學(xué) Python 的話，就有一種 out 了的感覺，雖然現(xiàn)在工業(yè)界使用 Python 的人數(shù)遠(yuǎn)沒有 Java 的人多， 但 Python 是未來的趨勢(shì)是非常明顯的，因此呢，學(xué)習(xí) Python 自然就是一件很有必要的事情了，今天呢，我就帶你一起聊聊 Python 多線程相關(guān)的那些事。
關(guān)于多線程啊，我想你肯定不陌生，無論是高級(jí)語言的鼻祖 C 語言、還是 C++、Java，都支持多線程、多進(jìn)程，而且這部分知識(shí)無論是在求職面試還是在日常的工作開發(fā)中，都會(huì)涉及到，不巧的是呢，這部分知識(shí)在老師講課過程中是很少涉及的，甚至是直接不講，我記得我當(dāng)時(shí)老師就沒有講，這不是說老師不合格，偷懶了，而是一門語言涉及到的知識(shí)太多了，老師只能把一些基礎(chǔ)的東西交給你，帶你入門，剩下的就需要自己去摸索、自學(xué)了。
線程與進(jìn)程
既然提到多線程，多進(jìn)程了，那就有必要先了解下線程和進(jìn)程的相關(guān)概念了。要不然的話后面的內(nèi)容理解起來也是有點(diǎn)費(fèi)勁的。
提到進(jìn)程啊，我想你肯定是不陌生的，我們?cè)陔娔X上打開一個(gè)軟件，就是開啟了一個(gè)進(jìn)程，更具體的來說，Windows 系統(tǒng)你可以通過資源管理器進(jìn)行查看當(dāng)前電腦啟動(dòng)的進(jìn)程數(shù)。
用比較正式的話來說，進(jìn)程就是處于運(yùn)行中的程序，并且具有一定獨(dú)立的功能。進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。
然后就是線程，它是進(jìn)程的組成部分，一個(gè)線程可以包含多個(gè)線程，多個(gè)線程可以共用這個(gè)進(jìn)程的資源，相比于進(jìn)程，線程更加輕量級(jí)。
舉個(gè)例子來說明下：我們的生活都是以家單位的，每家每戶每天都有自己的計(jì)劃安排、互不影響，這時(shí)候，每家就相當(dāng)于一個(gè)進(jìn)程，但是呢，需要受到國(guó)家的管制，比如說，買房限購(gòu)、戶口問題啊等等需要國(guó)家統(tǒng)一出臺(tái)政策進(jìn)行管理，這時(shí)候國(guó)家就相當(dāng)于操作系統(tǒng)，而房子、戶口就相當(dāng)于資源。但是對(duì)于每一家來說，又有不同的人，這時(shí)候，每個(gè)人就相當(dāng)于一個(gè)線程，多個(gè)線程之間共用家里的一些資源，就是家里的人共用家里的一些東西。雖然例子不是很恰當(dāng)，但對(duì)于理解線程和進(jìn)程還是有很大幫助的。
線程的幾種狀態(tài)
線程狀態(tài)一共有五種,包括如下:
新建
就緒
運(yùn)行
阻塞
死亡
它們之間的關(guān)系如下圖所示：
實(shí)現(xiàn)方式
接下來，我們就來看看如何在 Python 里面實(shí)現(xiàn)多線程。總的來說，如果你了解過其他語言實(shí)現(xiàn)多線程的方式，比如說 Java的話，那對(duì)于理解 Python 實(shí)現(xiàn)多線程是非常有幫助的。Python 實(shí)現(xiàn)多線程有兩種方式:
使用 threading 模塊的 Thread 類的構(gòu)造器創(chuàng)建線程
繼承 threading 模塊的 Thread 類創(chuàng)造線程類
看到這，你是不是發(fā)現(xiàn)這和 Java 實(shí)現(xiàn)多線程的方式很相類，不錯(cuò)，確實(shí)就是這樣，所以再次印證了那句話，只要學(xué)好了一門語言，學(xué)習(xí)其他語言都會(huì)起到事半功倍的效果。
使用 threading 模塊的 Thread 類的構(gòu)造器創(chuàng)建線程
我們先用第一種方法來編寫一個(gè)多線程程序
#!/usr/bin/python
#?-*-?coding:?utf-8?-*-
import?threading
#?定義一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，用于多線程的執(zhí)行體
def?action(number):
??for?i?in?range(number):
????#?調(diào)用?threading?模塊的?current_thread()?函數(shù)來獲取當(dāng)前線程
????#?調(diào)用當(dāng)前線程的?getName()?函數(shù)來獲取線程名
????print("{},{}".format(threading.current_thread().getName(),?i))
number?=?5
for?i?in?range(5):
??print("{},{}".format(threading.current_thread().getName(),?i))
??if?i?==?3:
????#?創(chuàng)建并啟動(dòng)第一個(gè)線程
????t1?=?threading.Thread(target=action,?args=(number,?))
????t1.start()
????#?創(chuàng)建并啟動(dòng)第二個(gè)線程
????t2?=?threading.Thread(target=action,?args=(number,?))
????t2.start()
看起來是不是很簡(jiǎn)單，很我們平常寫的 Python 程序并沒有特別大的不同，但是還是有很一些情況是需要注意的，其中最重要的就是 threading.Thread()，我在這里重點(diǎn)介紹下。
首先它是一個(gè)類，我們可以通過 type(threading.Thread) 來進(jìn)行查看，它的構(gòu)造函數(shù)如下所示：
__init__(self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}, *, daemon=None)
group 應(yīng)該為None，這個(gè)我們不用管，它是為了日后擴(kuò)展 ThreadGroup 類實(shí)現(xiàn)而保留的一個(gè)參數(shù)
target 是我們需要重視的一個(gè)參數(shù)， 我們想讓哪個(gè)函數(shù)并發(fā)執(zhí)行，這個(gè)函數(shù)就是 target 的參數(shù)值，注意只寫函數(shù)名，不需要寫 ()
name 是線程名稱，默認(rèn)情況下，由"Thread-N"的格式構(gòu)成一個(gè)唯一的名稱，其中 N 是小的十進(jìn)制數(shù)
args 是用于調(diào)用目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)元祖， 注意是元祖， 如果你只想傳一個(gè)參數(shù)的話，也應(yīng)該這樣寫 (args1,), 而不是 (args)
kwargs 是用于調(diào)用目標(biāo)函數(shù)的關(guān)鍵字參數(shù)字典。默認(rèn)是 {}
daemon 用于設(shè)置該線程是否為守護(hù)模式，如果是 None， 線程默認(rèn)將繼承當(dāng)前線程的守護(hù)模式屬性。
一般來說，我們需要注意的就是 target 參數(shù)、args 參數(shù)，其他的參數(shù)用到的時(shí)候可以再查。
另一點(diǎn)需要我們需要注意的一點(diǎn)就是啟動(dòng)線程的方法是 start 方法，可能你也知道線程也有 run 方法，這一塊也會(huì)在第二種方法中進(jìn)行介紹，但是啟動(dòng)線程的方法是 start 方法，要不然就變成了單線程程序。
繼承 threading 模塊的 Thread 類創(chuàng)造線程類
接下來我們來看下如何使用第二種方法實(shí)現(xiàn)多線程
#!?/usr/bin/python
#?-*-?coding:utf-8?-*-
import?threading
from?threading?import?Thread
#?繼承?threading.Thread
class?MyThread(Thread):
??def?__init__(self,?number):
????super().__init__()
????self.number?=?number
??#?重載?run()?方法
??def?run(self):
????for?i?in?range(self.number):
??????print("{},?{}".format(threading.current_thread().getName(),?i))
number?=?5
for?i?in?range(5):
??print("{},?{}".format(threading.current_thread().getName(),?i))
??if?i?==?3:
????t1?=?MyThread(number=number)
????t1.start()
????t2?=?MyThread(number=number)
????t2.start()
第二種方法就是繼承 Threading.Thread 類。然后重載 run() 方法。
其實(shí)我看來的話，感覺第二種方法更適合在項(xiàng)目中使用，因?yàn)樗幽K化，比較清晰。
另外還有一個(gè)方法需要注意的就是 join() 方法，它的作用就是協(xié)調(diào)主線程和子線程的，調(diào)用 join() 后，當(dāng)前線程就會(huì)阻塞，或者來說，暫停運(yùn)行，執(zhí)行子線程，等子線程執(zhí)行完成后，主線程再接著運(yùn)行。
生產(chǎn)者、消費(fèi)者模型
提到多線程，最著名的就是生產(chǎn)者、消費(fèi)者模型了，那應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)呢？
說實(shí)話，我當(dāng)初最開始學(xué)習(xí)生產(chǎn)者、消費(fèi)者模型的時(shí)候，心里是有點(diǎn)犯嘀咕的，感覺涉及到線程間的通信，太好解決。但是查閱了一些資料后，發(fā)現(xiàn)還是可以理解的。
生產(chǎn)者、消費(fèi)者二者不屬于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，更多的是一種捕食關(guān)系，生產(chǎn)者生產(chǎn)資源，消費(fèi)者進(jìn)行消費(fèi)，就像圣湖中的牛吃草一樣。
不知道這時(shí)候你有沒有想到一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那就是隊(duì)列，隊(duì)列呢是一種操作受限的線性表，它只允許在隊(duì)尾入隊(duì)，在隊(duì)頭
出隊(duì)，也就是先進(jìn)先出 (FIFO) 策略。
生產(chǎn)者、消費(fèi)者模型，不就是生產(chǎn)者生產(chǎn)元素，放到隊(duì)尾，然后消費(fèi)者從隊(duì)頭消費(fèi)元素嘛。
只不過有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)特殊的情況
隊(duì)列空了，消費(fèi)者還要消費(fèi)數(shù)據(jù)
隊(duì)列滿了，生產(chǎn)者還要生產(chǎn)數(shù)據(jù)
這是我們需要重點(diǎn)考慮了，解決了以上兩點(diǎn)，這個(gè)模型也就實(shí)現(xiàn)了。
接下來我們就來看看 Python 如何實(shí)現(xiàn)吧！
#!/usr/bin/python
#?-*-?coding:utf-8
from?threading?import?Thread,?current_thread
import?time
import?random
from?queue?import?Queue
queue?=?Queue(5)
class?ProducerThread(Thread):
????def?run(self):
????????name?=?current_thread().getName()
????????nums?=?range(100)
????????global?queue
????????while?True:
????????????num?=?random.choice(nums)
????????????queue.put(num)
????????????print("生產(chǎn)者?{}?生產(chǎn)了數(shù)據(jù)?{}".format(name,?num))
????????????t?=?random.randint(1,?3)
????????????time.sleep(t)
????????????print("生產(chǎn)者?{}?睡眠了?{}?秒".format(name,?t))
class?ConsumerThread(Thread):
????def?run(self):
????????name?=?current_thread().getName()
????????global?queue
????????while?True:
????????????num?=?queue.get()
????????????queue.task_done()
????????????print("消費(fèi)者?{}?消耗了數(shù)據(jù)?{}".format(name,?num))
????????????t?=?random.randint(1,?5)
????????????time.sleep(t)
????????????print("消費(fèi)者?{}?睡眠了?{}?秒".format(name,?t))
p1?=?ProducerThread(name="producer1")
p1.start()
c1?=?ConsumerThread(name="consumer1")
c1.start()
c2?=?ConsumerThread(name="consumer2")
c2.start()
看了上面的代碼，不知道你有沒有一種錯(cuò)覺，你不是說要考慮上面的兩種情況，但是你并沒有考慮啊。
確實(shí)，我沒有考慮，那是因?yàn)?Queue 在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候已經(jīng)替我們考慮好了，我們直接使用就好了。
具體就是 task_done() 函數(shù)，它在隊(duì)列為空時(shí)會(huì)自動(dòng)阻塞當(dāng)前線程
而隊(duì)列在滿的時(shí)候再添加元素也會(huì)阻塞當(dāng)前線程，這就實(shí)現(xiàn)了上面我們提到的那兩種情況。
接下來呢，我再給你講解一個(gè)例子，帶你看看如何使用鎖。
銀行取錢問題
從銀行取錢的基本流程大致可以分為以下幾個(gè)步驟:
用戶輸入賬戶、密碼，系統(tǒng)判斷當(dāng)前的賬戶、密碼是否匹配。
用戶輸入取款金額
系統(tǒng)判斷賬戶余額是否大于取款金額
如果余額大于取款金額，則取款成功；如果余額小于取款金額，則取款失敗。
乍一看，這就是日常生活中的取款操作啊，但是把它放到多線程并發(fā)的情況下，就可能會(huì)出現(xiàn)問題。不信的話，你可以試著寫下多線程的程序，然后再看下我的程序。
#!/usr/bin/python
#?-*-?coding:utf-8?-*-
import?threading
import?time
class?Account:
????def?__init__(self,?account_no,?balance):
????????self.account_no?=?account_no
????????self._balance?=?balance
????????#?定義一個(gè)鎖
????????self.lock?=?threading.RLock()
????def?get_balance(self):
????????return?self._balance
????def?draw(self,?draw_amount):
????????#?對(duì)?RLock?對(duì)象進(jìn)行加鎖
????????self.lock.acquire()
????????try:
????????????if?self._balance?>=?draw_amount:
????????????????print(threading.current_thread().getName()?+?"取錢成功，吐出鈔票："?+?str(draw_amount))
????????????????time.sleep(0.001)
????????????????self._balance?-=?draw_amount
????????????????print("\t余額為："?+?str(self._balance))
????????????else:
????????????????print(threading.current_thread().getName()?+?"取錢失敗，余額不足！")
????????finally:
????????????#?釋放鎖
????????????self.lock.release()
#?定義一個(gè)函數(shù)來模擬取錢操作
def?draw(account,?draw_count):
????account.draw(draw_count)
acct?=?Account("1234567",?1000)
threading.Thread(name="甲",?target=draw,?args=(acct,?800)).start()
threading.Thread(name="乙",?target=draw,?args=(acct,?800)).start()
如果你想嘗試下不加鎖的情況下是否會(huì)出現(xiàn)問題，你可以把我的程序進(jìn)行修改，把加鎖的那部分去掉，然后嘗試運(yùn)行下。
這里呢，不是說每次運(yùn)行都會(huì)出現(xiàn)問題，可能你運(yùn)行了十次也都沒有出現(xiàn)問題，但是呢，這個(gè)安全隱患是確確實(shí)實(shí)存在的，不容忽視。
好了，今天的內(nèi)容就先分享到這里了，不知道你對(duì)多線程的內(nèi)容理解了多少，不理解的話也沒關(guān)系，多看幾遍，然后很重要的就是自己好好寫一遍實(shí)踐一下，這樣對(duì)于理解是有很大幫助的。如果遇到問題，也可以在我的公眾號(hào)底部找到我的微信聯(lián)系方式，聯(lián)系我。
多線程的內(nèi)容有很多，今天只是分享了一些比較基礎(chǔ)的內(nèi)容，后面會(huì)再更新，歡迎關(guān)注我，一起加油進(jìn)步。
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