多線程實踐—Python多線程編程

時間 2019-11-19

原文原文鏈接

多線程實踐

前面的一些文章和腳本都是隻能作學習多線程的原理使用，實際上什麼有用的事情也沒有作。接下來進行多線程的實踐，看一看在實際項目中是怎麼使用多線程的。python

圖書排名示例

Bookrank.py：程序員

該腳本經過單線程進行下載圖書排名信息的調用數據庫

 1 from atexit import register
 2 from re import compile
 3 from threading import Thread
 4 from time import sleep, ctime
 5 import requests
 6 
 7 REGEX = compile('#([\d,]+) in Books')
 8 AMZN = 'https://www.amazon.com/dp/'
 9 ISBNS = {
10     '0132269937': 'Core Python Programming',
11     '0132356139': 'Python Web Development with Django',
12     '0137143419': 'Python Fundamentals',
13 }
14 
15 def getRanking(isbn):
16     url = '%s%s' % (AMZN, isbn)
17     page = requests.get(url)
18     data = page.text
19     return REGEX.findall(data)[0]
20 
21 def _showRanking(isbn):
22     print '- %r ranked %s' % (
23         ISBNS[isbn], getRanking(isbn))
24 
25 def _main():
26     print 'At', ctime(), 'on Amazon'
27     for isbn in ISBNS:
28         _showRanking(isbn)
29 
30 @register
31 def _atexit():
32     print 'all DONE at:', ctime()
33 
34 if __name__ == '__main__':
35     _main()
36

輸出結果爲：多線程

1 /usr/bin/python ~/Test_Temporary/bookrank.py
2 At Sat Jul 28 17:16:51 2018 on Amazon
3 - 'Core Python Programming' ranked 322,656
4 - 'Python Fundamentals' ranked 4,739,537
5 - 'Python Web Development with Django' ranked 1,430,855
6 all DONE at: Sat Jul 28 17:17:08 2018

引入線程

上面的例子只是一個單線程程序，下面引入線程，並使用多線程再執行程序對比各自所需的時間。dom

將上面腳本中 _main() 函數的 _showRanking(isbn) 修改如下代碼：函數

Thread(target=_showRanking, args=(isbn,)).start()

再次執行查看返回結果：oop

1 /usr/bin/python ~/Test_Temporary/bookrank.py
2 At Sat Jul 28 17:39:16 2018 on Amazon
3 - 'Python Fundamentals' ranked 4,739,537
4 - 'Python Web Development with Django' ranked 1,430,855
5 - 'Core Python Programming' ranked 322,656
6 all DONE at: Sat Jul 28 17:39:19 2018

從兩個的輸出結果中能夠看出，使用單線程時整體完成的時間爲 7s ，而使用多線程時，整體完成時間爲 3s 。另一個須要注意的是，單線程版本是按照變量的順序輸出，而多線程版本按照完成的順序輸出。學習

同步原語

通常在多線程代碼中，總會有一些特定的函數或代碼塊不但願（或不該該）被多個線程同時執行，一般包括修改數據庫、更新文件或其它會產生竟態條件的相似狀況。這就是須要使用同步的狀況。ui

當任意數量的線程能夠訪問臨界區的代碼，但給定的時刻只有一個線程能夠經過時，就是使用同步的時候了；url
程序員選擇適合的同步原語，或者線程控制機制來執行同步；
進程同步有不一樣的類型【參見：https://en.wikipedia.org/wiki/Synchronization_(computer_science) 】
同步原語有：鎖/互斥、信號量。鎖是最簡單、最低級的機制，而信號量用於多線程競爭有限資源的狀況。

鎖示例

鎖有兩種狀態：鎖定和未鎖定。並且它也只支持兩個函數：得到鎖和釋放鎖。

當多線程爭奪鎖時，容許第一個得到鎖的線程進入臨界區，並執行代碼；
全部以後到達的線程將被阻塞，直到第一個線程結束退出臨界區並釋放鎖；
鎖被釋放後，其它等待的線程能夠繼續爭奪鎖，並進入臨界區；
被阻塞的線程沒有順序，不會先到先得，勝出的線程是不肯定的。

代碼示例（mtsleepF.py）：

*注：該腳本派生了隨機數量的線程，每一個線程執行結束時會進行輸出

 1 # -*- coding=utf-8 -*-
 2 from atexit import register
 3 from random import randrange
 4 from threading import Thread, currentThread
 5 from time import sleep, ctime
 6 
 7 class CleanOutputSet(set):
 8     def __str__(self):
 9         return ', '.join(x for x in self)
10 
11 loops = (randrange(2, 5) for x in range(randrange(3, 7)))
12 remaining = CleanOutputSet()
13 
14 def loop(nsec):
15     myname = currentThread().name
16     remaining.add(myname)
17     print('這個是目前線程池中的線程：', remaining)
18     print('[%s] Started %s' % (ctime(), myname))
19     sleep(nsec)
20     remaining.remove(myname)
21     print('[%s] Completed %s (%d secs)' % (ctime(), myname, nsec))
22     print(' (remaining: %s)' % (remaining or 'None'))
23 
24 def _main():
25     for pause in loops:
26         Thread(target=loop, args=(pause,)).start()
27 
28 @register
29 def _atexit():
30     print('all DONE at:%s' % ctime())
31 
32 if __name__ == '__main__':
33     _main()

執行後的輸出結果：

 1 /usr/local/bin/python3.6 /Users/zhenggougou/Project/Test_Temporary/mtsleepF.py
 2 這個是目前線程池中的線程： Thread-1
 3 [Sat Jul 28 21:09:44 2018] Started Thread-1
 4 這個是目前線程池中的線程： Thread-2, Thread-1
 5 [Sat Jul 28 21:09:44 2018] Started Thread-2
 6 這個是目前線程池中的線程： Thread-3, Thread-2, Thread-1
 7 [Sat Jul 28 21:09:44 2018] Started Thread-3
 8 這個是目前線程池中的線程： Thread-3, Thread-2, Thread-4, Thread-1
 9 [Sat Jul 28 21:09:44 2018] Started Thread-4
10 這個是目前線程池中的線程： Thread-5, Thread-4, Thread-3, Thread-2, Thread-1
11 [Sat Jul 28 21:09:44 2018] Started Thread-5
12 這個是目前線程池中的線程： Thread-5, Thread-6, Thread-4, Thread-3, Thread-2, Thread-1
13 [Sat Jul 28 21:09:44 2018] Started Thread-6
14 [Sat Jul 28 21:09:46 2018] Completed Thread-2 (2 secs)
15 [Sat Jul 28 21:09:46 2018] Completed Thread-1 (2 secs)
16 [Sat Jul 28 21:09:46 2018] Completed Thread-3 (2 secs)
17  (remaining: Thread-5, Thread-6, Thread-4)
18 [Sat Jul 28 21:09:46 2018] Completed Thread-6 (2 secs)
19  (remaining: Thread-5, Thread-4)
20 [Sat Jul 28 21:09:46 2018] Completed Thread-4 (2 secs)
21  (remaining: Thread-5)
22  (remaining: Thread-5)
23 [Sat Jul 28 21:09:46 2018] Completed Thread-5 (2 secs)
24  (remaining: None)
25  (remaining: None)
26 all DONE at:Sat Jul 28 21:09:46 2018

從執行結果中能夠看出，有的時候可能會存在多個線程並行執行操做刪除 remaining 集合中數據的狀況。好比上面結果中，線程一、二、3 就是同時執行去刪除集合中數據的。因此爲了不這種狀況須要加鎖，經過引入 Lock （或 RLock），而後建立一個鎖對象來保證數據的修改每次只有一個線程能操做。

首先先導入鎖類，而後建立鎖對象

from threading import Thread, Lock, currentThread

lock = Lock()

而後使用建立的鎖，將上面 mtsleepF.py 腳本中 loop() 函數作如下改變：

 1 def loop(nsec):
 2     myname = currentThread().name
 3     lock.acquire() # 獲取鎖
 4     remaining.add(myname)
 5     print('這個是目前線程池中的線程：', remaining)
 6     print('[%s] Started %s' % (ctime(), myname))
 7     lock.release() # 釋放鎖
 8     sleep(nsec)
 9     lock.acquire() # 獲取鎖
10     remaining.remove(myname)
11     print('[%s] Completed %s (%d secs)' % (ctime(), myname, nsec))
12     print(' (remaining: %s)' % (remaining or 'None'))
13     lock.release() # 釋放鎖

在操做變量的先後須要進行獲取鎖和釋放鎖的操做，以保證在修改變量時只有一個線程進行。上面的代碼有兩處修改變量，一是：remaining.add(myname) ，二是：remaining.remove(myname)。因此上面代碼中有兩次獲取鎖和釋放鎖的操做。其實還有一種方案能夠再也不調用鎖的 acquire() 和 release() 方法，二是使用上下文管理，進一步簡化代碼。代碼以下：

 1 def loop(nesc):
 2     myname = currentThread().name
 3     with lock:
 4         remaining.add(myname)
 5         print('[{0}] Started {1}'.format(ctime(), myname))
 6     sleep(nesc)
 7     with lock:
 8         remaining.remove(myname)
 9         print('[{0}] Completed {1} ({2} secs)'.format(ctime(), myname, nesc))
10         print(' (remaining: {0})'.format(remaining or 'None'))

信號量示例

鎖很是易於理解和實現，也很容易決定什麼時候須要它們，然而，若是狀況更加複雜，可能須要一個更強大的同步原語來代替鎖。

信號量是最古老的同步原語之一。它是一個計數器，當資源消耗時遞減，當資源釋放時遞增。能夠認爲信號量表明它們的資源可用或不可用。信號量比鎖更加靈活，由於能夠有多個線程，每一個線程都擁有有限資源的一個實例。

消耗資源使計數器遞減的操做習慣上稱爲 P() —— acquire ；
當一個線程對一個資源完成操做時，該資源須要返回資源池中，這個操做通常稱爲 V() —— release 。

示例，糖果機和信號量（candy.py）：

*注：該腳本使用了鎖和信號量來模擬一個糖果機

 1 # -*- coding=utf-8 -*-
 2 from atexit import register
 3 from random import randrange
 4 from threading import BoundedSemaphore, Lock, Thread
 5 from time import sleep, ctime
 6 
 7 lock = Lock()
 8 MAX = 5
 9 candytray = BoundedSemaphore(MAX)
10 
11 def refill():
12     lock.acquire()
13     print('Refilling candy')
14     try:
15         candytray.release() # 釋放資源
16     except ValueError:
17         print('full, skipping')
18     else:
19         print('OK')
20     lock.release()
21 
22 def buy():
23     lock.acquire()
24     print('Buying candy...')
25     if candytray.acquire(False): # 消耗資源
26         print('OK')
27     else:
28         print('empty, skipping')
29     lock.release()
30 
31 def producer(loops):
32     for i in range(loops):
33         refill()
34         sleep(randrange(3))
35 
36 def consumer(loops):
37     for i in range(loops):
38         buy()
39         sleep(randrange(3))
40 
41 def _main():
42     print('starting at:{0}'.format(ctime()))
43     nloops = randrange(2, 6)
44     print('THE CANDY MACHINE (full with %d bars)!' % MAX)
45     Thread(target=consumer, args=(randrange(nloops, nloops+MAX+2),)).start()
46     Thread(target=producer, args=(nloops,)).start()
47 
48 @register
49 def _atexit():
50     print('all DONE at:{0}'.format(ctime()))
51 
52 if __name__ == '__main__':
53     _main()

執行結果爲：

 1 /usr/local/bin/python3.6 ~/Test_Temporary/candy.py
 2 starting at:Sun Jul 29 21:12:50 2018
 3 THE CANDY MACHINE (full with 5 bars)!
 4 Buying candy...
 5 OK
 6 Refilling candy
 7 OK
 8 Refilling candy
 9 full, skipping
10 Buying candy...
11 OK
12 Buying candy...
13 OK
14 all DONE at:Sun Jul 29 21:12:52 2018