Python线程

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前言

几乎所有的操作系统都支持同时运行多个任务，每个任务通常是一个程序，每一个运行中的程序就是一个进程，即进程是应用程序的执行实例。现代的操作系统几乎都支持多进程并发执行。注意，并发和并行是两个概念，并行指在同一时刻有多条指令在多个处理器上同时执行；并发是指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。
例如，程序员一边开着开发工具在写程序，一边开着参考手册备查，同时还使用电脑播放音乐……除此之外，每台电脑运行时还有大量底层的支撑性程序在运行……这些进程看上去像是在同时工作。但事实的真相是，对于一个 CPU 而言，在某个时间点它只能执行一个程序。也就是说，只能运行一个进程，CPU 不断地在这些进程之间轮换执行。那么，为什么用户感觉不到任何中断呢？这是因为相对人的感觉来说，CPU 的执行速度太快了（如果启动的程序足够多，则用户依然可以感觉到程序的运行速度下降了）。所以，虽然 CPU 在多个进程之间轮换执行，但用户感觉到好像有多个进程在同时执行。

线程是进程的组成部分，一个进程可以拥有多个线程。在多线程中，会有一个主线程来完成整个进程从开始到结束的全部操作，而其他的线程会在主线程的运行过程中被创建或退出。当进程被初始化后，主线程就被创建了，对于绝大多数的应用程序来说，通常仅要求有一个主线程，但也可以在进程内创建多个顺序执行流，这些顺序执行流就是线程。当一个进程里只有一个线程时，叫作单线程。超过一个线程就叫作多线程。每个线程必须有自己的父进程，且它可以拥有自己的堆栈、程序计数器和局部变量，但不拥有系统资源，因为它和父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。线程可以完成一定的任务，可以与其他线程共享父进程中的共享变量及部分环境，相互之间协同完成进程所要完成的任务。多个线程共享父进程里的全部资源，会使得编程更加方便，需要注意的是，要确保线程不会妨碍同一进程中的其他线程。线程是独立运行的，它并不知道进程中是否还有其他线程存在。线程的运行是抢占式的，也就是说，当前运行的线程在任何时候都可能被挂起，以便另外一个线程可以运行。多线程也是并发执行的，即同一时刻，Python 主程序只允许有一个线程执行，这和全局解释器锁有关系，后续会做详细介绍。
一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发运行。从逻辑的角度来看，多线程存在于一个应用程序中，让一个应用程序可以有多个执行部分同时执行，但操作系统无须将多个线程看作多个独立的应用，对多线程实现调度和管理以及资源分配，线程的调度和管理由进程本身负责完成。

简而言之，进程和线程的关系是这样的：操作系统可以同时执行多个任务，每一个任务就是一个进程，进程可以同时执行多个任务，每一个任务就是一个线程。

Python创建线程 threading

Python 中，有关线程开发的部分被单独封装到了模块中，和线程相关的模块有以下 2 个：
_thread：是 Python 3 以前版本中 thread 模块的重命名，此模块仅提供了低级别的、原始的线程支持，以及一个简单的锁。功能比较有限。正如它的名字所暗示的（以 _ 开头），一般不建议使用 thread 模块；
threading：Python 3 之后的线程模块，提供了功能丰富的多线程支持，推荐使用。

本节就以 threading 模块为例进行讲解。Python 主要通过两种方式来创建线程：

使用 threading 模块中 Thread 类的构造器创建线程。即直接对类 threading.Thread 进行实例化创建线程，并调用实例化对象的 start() 方法启动线程。
继承 threading 模块中的 Thread 类创建线程类。即用 threading.Thread 派生出一个新的子类，将新建类实例化创建线程，并调用其 start() 方法启动线程。

调用Thread类的构造器创建线程

Thread 类提供了如下的 __init__()构造器，可以用来创建线程：__init__(self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs=None, *,daemon=None) 此构造方法中，以上所有参数都是可选参数，即可以使用，也可以忽略。其中各个参数的含义如下：

group：指定所创建的线程隶属于哪个线程组（此参数尚未实现，无需调用）；
target：指定所创建的线程要调度的目标方法（最常用）；
args：以元组的方式，为 target 指定的方法传递参数；
kwargs：以字典的方式，为 target 指定的方法传递参数；
daemon：指定所创建的线程是否为后代线程。
这些参数，初学者只需记住 target、args、kwargs 这 3 个参数的功能即可。

下面程序演示了如何使用 Thread 类的构造方法创建一个线程：

import threading
#定义线程要调用的方法，*add可接收多个以非关键字方式传入的参数
def action(*add):
for arc in add:
#调用 getName() 方法获取当前执行该程序的线程名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定义为线程方法传入的参数
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
"http://c.biancheng.net/shell/",\
"http://c.biancheng.net/java/")
#创建线程
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)

有关 Thread 类提供的和线程有关的方法，可阅读 Python Thread手册，由于不是本节重点，这里不再进行详细介绍。
由此就创建好了一个线程。但是线程需要手动启动才能运行，threading 模块提供了 start() 方法用来启动线程。因此在上面程序的基础上，添加如下语句：thread.start()
再次执行程序，

其输出结果为：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/

可以看到，新创建的 thread 线程（线程名为 Thread-1）执行了 action() 函数。
默认情况下，主线程的名字为 MainThread，用户启动的多个线程的名字依次为 Thread-1、Thread-2、Thread-3、…、Thread-n 等。

为了使 thread 线程的作用更加明显，可以继续在上面程序的基础上添加如下代码，让主线程和新创建线程同时工作：

for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

再次执行程序，其输出结果为：

MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/python/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/shell/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread

可以看到，当前程序中有 2 个线程，分别为主线程 MainThread 和子线程 Thread-1，它们以并发方式执行，即 Thread-1 执行一段时间，然后 MainThread 执行一段时间。通过轮流获得 CPU 执行一段时间的方式，程序的执行在多个线程之间切换，从而给用户一种错觉，即多个线程似乎同时在执行。
如果程序中不显式创建任何线程，则所有程序的执行，都将由主线程 MainThread 完成，程序就只能按照顺序依次执行。

继承Thread类创建线程类

通过继承 Thread 类，我们可以自定义一个线程类，从而实例化该类对象，获得子线程。需要注意的是，在创建 Thread 类的子类时，必须重写从父类继承得到的 run() 方法。因为该方法即为要创建的子线程执行的方法，其功能如同第一种创建方法中的 action() 自定义函数。

下面程序，演示了如何通过继承 Thread 类创建并启动一个线程：

import threading
#创建子线程类，继承自 Thread 类
class my_Thread(threading.Thread):
def __init__(self,add):
threading.Thread.__init__(self)
self.add = add
# 重写run()方法
def run(self):
for arc in self.add:
#调用 getName() 方法获取当前执行该程序的线程名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定义为 run() 方法传入的参数
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
"http://c.biancheng.net/shell/",\
"http://c.biancheng.net/java/")
#创建子线程
mythread = my_Thread(my_tuple)
#启动子线程
mythread.start()
#主线程执行此循环
for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

程序执行结果为：

MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/python/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/shell/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread

此程序中，子线程 Thread-1 执行的是 run() 方法中的代码，而 MainThread 执行的是主程序中的代码，它们以快速轮换 CPU 的方式在执行。

Thread join()用法

如何通过 Thread 类创建并启动一个线程，当时给读者用如下的程序进行演示：

import threading
#定义线程要调用的方法，*add可接收多个以非关键字方式传入的参数
def action(*add):
    for arc in add:
        #调用 getName() 方法获取当前执行该程序的线程名
        print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定义为线程方法传入的参数
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
            "http://c.biancheng.net/shell/",\
            "http://c.biancheng.net/java/")
#创建线程
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)
#启动线程
thread.start()
#主线程执行如下语句
for i in range(5):
    print(threading.current_thread().getName())

程序执行结果为（不唯一）：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/MainThread
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/MainThread
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/MainThread
MainThread
MainThread

可以看到，我们用 Thread 类创建了一个线程（线程名为 Thread-1），其任务是执行 action() 函数。同时，我们也给主线程 MainThread 安排了循环任务（第 16、17 行）。通过前面的学习我们知道，主线程 MainThread 和子线程 Thread-1 会轮流获得 CPU 资源，因此该程序的输出结果才会向上面显示的这样。
但是，如果我们想让 Thread-1 子线程先执行，然后再让 MainThread 执行第 16、17 行代码，该如何实现呢？很简单，通过调用线程对象的 join() 方法即可。
join() 方法的功能是在程序指定位置，优先让该方法的调用者使用 CPU 资源。该方法的语法格式如下：thread.join( [timeout] )

其中，thread 为 Thread 类或其子类的实例化对象；timeout 参数作为可选参数，其功能是指定 thread 线程最多可以霸占 CPU 资源的时间（以秒为单位），如果省略，则默认直到 thread 执行结束（进入死亡状态）才释放 CPU 资源。

举个例子，修改上面的代码，如下所示：

import threading
#定义线程要调用的方法，*add可接收多个以非关键字方式传入的参数
def action(*add):
for arc in add:
#调用 getName() 方法获取当前执行该程序的线程名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定义为线程方法传入的参数
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",\
"http://c.biancheng.net/shell/",\
"http://c.biancheng.net/java/")
#创建线程
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)
#启动线程
thread.start()
#指定 thread 线程优先执行完毕
thread.join()
#主线程执行如下语句
for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

程序执行结果为：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread
MainThread
MainThread
MainThread

程序中第 16 行的位置，thread 线程调用了 join() 方法，并且没有指定具体的 timeout 参数值。这意味着如果程序想继续往下执行，必须先执行完 thread 线程。

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