Python并发编程——多线程

2021-05-13 本文已影响0人 xiaogp

摘要：Python，多线程，线程同步，线程池，GIL

线程概述

当一个进程里面只有一个线程时，叫做单线程，超过一个线程就叫做多线程，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。

线程的创建和原理

（1）线程的模块

Python的线程模块主要是threading模块

（2）主线程的产生

一个Python程序就是一个进程，每个进程会默认启动一个线程，即主线程，可以通过threading模块中的current_thread函数查看

import threading
print(threading.current_thread())

<_MainThread(MainThread, started 140486979041088)>

current_thread返回的是当前线程的信息，默认是进程下的主线程，结果尖括号的第一个显示他是主线程_MainThread，圆括号中的MainThread是线程名称，started后面的是线程号，在操作系统中每一个线程都会有一个ID号，用为唯一标识。
threading模块中还有两个常用的函数，分别是

threading.enumerate：返回正在运行的线程list，正在运行指的是线程处于启动后结束前的状态
threading.activeCount：返回正在运行的线程数量，相当于len(threading.enumerate())

print(threading.enumerate())
print(threading.active_count())

在Python console中存在4个线程，分别打印出线程列表和线程数如下

[<_MainThread(MainThread, started 140486979041088)>, <Thread(Thread-2, started daemon 140486915045120)>, <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 140486836745984)>, <Thread(Thread-3, started daemon 140486828353280)>]
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Python中所有进程的主线程，名称都是一样的叫做MainThread，而子线程的名字需要在创建时指定，如果不指定Python会默认起名字。

（3）创建子线程

创建子线程有两种方法，都是通过threading.Thread类来实现

直接对类threading.Thread进行实例化，实例化的时候指定执行的函数和入参，然后调用实例化的线程对象的start方法创建线程
用threading.Thread派生出一个新的子类，并且实例化该子类，重载run方法，调用start方法创建线程

先来看第一种方法直接实例化

import threading


def handle(sid):
    print("Thread {} run, info: {}".format(sid, threading.current_thread()))


for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=handle, args=(i, ))
    t.start()  # 这个地方加t.join()是一样的，默认不守护进程，则主线程会等待子线程执行完毕再关闭

print(threading.current_thread())

执行效果如下，此时线程类型变为Thread，并且分别以数字ID命名，和主线程MainThread不一样，在一个新的线程是执行handle函数，此时函数内部的threading.current_thread()返回的就是当前线程的信息

Thread 0 run, info: <Thread(Thread-1, started 140591162775296)>
Thread 1 run, info: <Thread(Thread-2, started 140591154382592)>
Thread 2 run, info: <Thread(Thread-3, started 140591145989888)>
Thread 3 run, info: <Thread(Thread-4, started 140591145989888)>
Thread 4 run, info: <Thread(Thread-5, started 140591145989888)>
Thread 5 run, info: <Thread(Thread-6, started 140591145989888)>
Thread 6 run, info: <Thread(Thread-7, started 140591145989888)>
Thread 7 run, info: <Thread(Thread-8, started 140591145989888)>
Thread 8 run, info: <Thread(Thread-9, started 140591145989888)>
Thread 9 run, info: <Thread(Thread-10, started 140591145989888)>
<_MainThread(MainThread, started 140591187232576)>

Process finished with exit code 0

可以改变线程的名称，比如修改这一行代码

t = threading.Thread(target=handle, name="a" + str(i), args=(i, ))

输出如下

Thread 0 run, info: <Thread(a0, started 139623398315776)>
Thread 1 run, info: <Thread(a1, started 139623389923072)>
...

再看一下使用线程类，新建一个类对象继承threading.Thread，然后重写run方法，在调用start的时候线程对象会调用run方法

import threading


def handle(sid):
    print("Thread {} run, info: {}".format(sid, threading.current_thread()))


class MyClass(threading.Thread):
    def __init__(self, sid):
        threading.Thread.__init__(self)  # 重写__init__方法，等同于super().__init__()
        self.sid = sid

    def run(self):  # 在子类中如果方法与父类相同，父类的方法被覆盖失效
        handle(self.sid)


for i in range(10):
    t = MyClass(i)
    t.start()

查看原类的run方法，可见如果不重写run函数，默认会执行传入的target参数

    def run(self):
        try:
            if self._target:
                self._target(*self._args, **self._kwargs)
        finally:
            del self._target, self._args, self._kwargs

返回输出如下

Thread 0 run, info: <MyClass(Thread-1, started 139963900937984)>
Thread 1 run, info: <MyClass(Thread-2, started 139963892545280)>
Thread 2 run, info: <MyClass(Thread-3, started 139963892545280)>
Thread 3 run, info: <MyClass(Thread-4, started 139963892545280)>
Thread 4 run, info: <MyClass(Thread-5, started 139963892545280)>
Thread 5 run, info: <MyClass(Thread-6, started 139963892545280)>
Thread 6 run, info: <MyClass(Thread-7, started 139963892545280)>
Thread 7 run, info: <MyClass(Thread-8, started 139963892545280)>
Thread 8 run, info: <MyClass(Thread-9, started 139963892545280)>
Thread 9 run, info: <MyClass(Thread-10, started 139963892545280)>

Process finished with exit code 0

除此之外在实例化类对象的时候还有一个参数daemon，默认是False，每个线程的守护进程参数和主线程一致，默认是False就是说进程退出时必须等待这个线程也退出，看一下源码

        if daemon is not None:
            self._daemonic = daemon
        else:
            self._daemonic = current_thread().daemon  # False

总结一下线程的创建，目的就是创建线程并且将执行函数绑定到线程上，有两种方法

在实例化时为target赋值参数
继承threading.Thread类，重写run方法，并在run中指定执行函数

（4）threadingThread类的方法

run：线程活动的方法
start：启动线程活动
join：该方法有一个可选参数timeout，主线程一直处于阻塞状态，除非当前调用join的线程执行完毕，或者达到超时时间，主线程执行完自己的任务以后，就退出了，主线程一旦执行结束，则全部线程全部被终止执行

（5）线程内部状态及原理

线程状态分为5种：创建，就绪，运行，阻塞，退出，过程如下

创建：在完成threading.Thread实例化之后，就完成了线程的创建
就绪：调用start函数，线程就进入就绪状态，等待CPU分配时间片
运行：当线程被分配到时间片，线程就进入运行状态，执行run函数
阻塞：在执行run函数期间，线程可以被打断，进入阻塞状态，阻塞状态结束又回到就绪状态，接着运行
退出：线程运行结束进入退出状态

互斥锁

多线程的优势在于并发，即可以同时运行多个任务，但是当多线程需要共享数据时，也会带来数据不同步的问题，互斥锁就是解决数据不同步的问题。

（1）多线程的问题

以一个例子来看，所有线程共享一个全局变量，并且在执行函数之后修改这个全局变量，但是执行时间不同

import time
import threading

a = 1


def handle(sid):
    global a
    a = a * 2
    time.sleep(sid % 2)
    print(sid, a)


class MyClass(threading.Thread):
    def __init__(self, sid):
        super().__init__()
        self.sid = sid

    def run(self):
        handle(self.sid)


threads = []
for i in range(10):
    t = MyClass(i)
    t.start()

for t in threads:
    t.join() # 主线程等待所有其他子线程执行完毕

输出结果如下，可见单数的id由于需要等待1s导致在sleep的时候其他线程还在更改共享数据，1,3,5,7四个线程输出的值都市9号线程的结果

上述代码使用了threads列表join使得主线程必须等待子线程全部执行完毕再退出，如果在每一个start后面直接执行join，输出结果完全不一样

import time
import threading

a = 1


def handle(sid):
    global a
    a = a * 2
    time.sleep(sid % 2)
    print(sid, a)


class MyClass(threading.Thread):
    def __init__(self, sid):
        super().__init__()
        self.sid = sid

    def run(self):
        handle(self.sid)


for i in range(10):
    t = MyClass(i)
    t.start()
    t.join()

原因是如果在每个线程start后直接join，则主线程被每个子线程的start后阻塞，无法启动循环列表后面的子线程，相当于单线程

（2）互斥所

锁的出现就是解决多线程之间的同步问题，其核心在于将执行程序中的某段代码保护起来（相当于锁起来），被锁起来的代码一次只能允许一个线程执行。在Python中使用threading.RLock类来创建锁，他有两个方法acquire，release

acquire：获得锁，acquire之后的代码只允许一个线程执行
release：释放锁，release之后的代码又可以多线程交叉执行

import time
import threading
lock = threading.RLock()
a = 1


def handle(sid):
    lock.acquire()
    global a
    a = a * 2
    time.sleep(sid % 2)
    print(sid, a)
    lock.release()


class MyClass(threading.Thread):
    def __init__(self, sid):
        super().__init__()
        self.sid = sid

    def run(self):
        handle(self.sid)


threads = []
for i in range(10):
    t = MyClass(i)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

输出结果如下，此时线程序号和乘数的值顺序对应上了

锁的注意事项：

锁的作用是将多线程变回单线程，牺牲性能换取准确性
在代码设计中应尽量避免使用锁，即使使用了锁也要让被锁住的代码区域尽可能小
有加锁的操作一定要有解锁的操作，否则代码就是去多线程的优势

信号量

信号量（semaphore）是一种带计数的线程同步机制，当调用release时，增加计数，当acquire时，减少计数，当计数为0时，自动阻塞，等待release被调用，可以实现并发限制，分为纯粹的信号量（Semaphore）和带有不按揭的信号量（BoundedSemaphore），区别如下

Semaphore：在调用release函数时，单纯将计数器+1，不会检查+1之后计数器是否超过上限
BoundedSemaphore：在调用release函数时，会检查计数器+1后是否超过上限，对计数器的上限制进行校验，是更加安全的机制
在创建信号量时需要指定信号量的个数，没调用一个acquire时信号量减少一个，当信号量为0时就是说同一个时间线程数量超过信号量个数时，主线程阻塞等待信号量被释放恢复，直接看代码

import threading
import datetime
import time

semaphore = threading.Semaphore(3)


def foo():
    semaphore.acquire()
    time.sleep(5)
    print("当前时间：", datetime.datetime.today().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
    semaphore.release()


class MyClass(threading.Thread):
    def __init__(self):
        super(MyClass, self).__init__()

    def run(self):
        foo()


threads = []
for i in range(10):
    t = MyClass()
    t.start()
    threads.append(t)

for t in threads:
    t.join()

上述代码设置信号量为3，开启10个线程，执行打印时间的函数，10个线程超出3个信号量限制，因此每当线程数量达到3个主线程阻塞，在循环内部卡住使得下面的子线程无法启动，最后的记过是没3个线程一批打印输出时间，一批和一批时间之间间隔5秒

当前时间： 2021-05-14 11:18:52
当前时间： 2021-05-14 11:18:52
当前时间： 2021-05-14 11:18:52
当前时间： 2021-05-14 11:18:57
当前时间： 2021-05-14 11:18:57
当前时间： 2021-05-14 11:18:57
当前时间： 2021-05-14 11:19:02
当前时间： 2021-05-14 11:19:02
当前时间： 2021-05-14 11:19:02
当前时间： 2021-05-14 11:19:07

再看BoundedSemaphore，如果调用多次release超出信号量上限就会报错，但是Semaphore不会报错，修改代码如下

semaphore = threading.BoundedSemaphore(3)


def foo():
    semaphore.acquire()
    time.sleep(5)
    print("当前时间：", datetime.datetime.today().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
    semaphore.release()
    semaphore.release()

输出报错如下，显示信号释放太多次

ValueError: Semaphore released too many times

使用线程池提升运行效率

线程池是一种多线程处理方式，是在正常的多线程处理方式上的一种优化

正常线程使用方式是：创建，启动，结束，销毁
线程池吃力方式是：在程序启动时就创建好若干个线程，并保存到内存中，当线程启动并执行完成后并不做销毁处理，而是等待下次再使用，需要用时过来取，用完了还回去

在需要频繁创建线程的系统中，一般都会使用线程池技术，原因是

每个线程的创建都需要占用系统资源，是一件相对耗时的事情，销毁线程时还需要回收线程资源，线程池技术可以省去创建与回收过程中所浪费的系统开销
在某些系统中需要为每个子任务创建线程，容易导致线程数量失控，直到程序崩溃，线程池技术可以很好的固定线程的数量

（1）实现线程池

Python中使用concurrent.features模块下的ThreadPoolExecutor来实现线程池，只需要传入线程个数系统就能为该线程池初始化相应个数的线程，线程的使用有两种

抢占式：线程池中线程的执行顺序不固定，该方式使用ThreadPoolExecutor下的submit方法实现
非抢占式：线程将按照调用的顺序执行，此方式使用ThreadPoolExecutor的map方法来实现

从使用角度来看，抢占式更灵活，非抢占式更严格。

抢占式：允许线程池中线程执行函数不一样，并且某个线程异常不影响其他线程
非抢占式：要求线程池中的线程必须执行同样的处理函数，并且一旦其中一个线程异常，其他线程也会停止

（2）单线程和多线程处理时间比较

先写一个简单的程序，使用单线程循环遍历执行一个函数

import time

person = ["Anna", "Gary", "All"]


def print_person(p):
    print(p)
    time.sleep(2)


t1 = time.time()
for p in person:
    print_person(p)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)

输出如下，耗时6s

Anna
Gary
All
耗时: 6.005347490310669

下一步实现抢占式线程池，使用with关键字创建线程池，将列表元素一个一个传入执行函数，调用实例化对象的submit方法将线程启动，代码如下

import time
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

person = ["Anna", "Gary", "All"]


def print_person(p):
    print(p)
    time.sleep(2)


t1 = time.time()
with ThreadPoolExecutor(3) as executor:  # 使用with上下文
    for p in person:
        executor.submit(print_person, p)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)

输出如下，可见多线程的并发缩短了程序的运行时间

Anna
Gary
All
耗时: 2.002558708190918

进一步实现非抢占式线程池，也是使用with关键字，他是使用实例化线程池的map方法启动线程，并且传入函数参数时直接传入列表

t1 = time.time()
with ThreadPoolExecutor(3) as executor:
    executor.map(print_person, person)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)

输出如下，也是2s，和抢占式效率差不多

Anna
Gary
All
耗时: 2.0014290809631348

多线程和GIL

（1）知识准备

GIL 是Python的全局解释器锁，同一进程中假如有多个线程运行，一个线程在运行Python程序的时候会霸占Python解释器，使该进程内的其他线程无法运行。在GIL中，全局锁并不是一直锁定的，比如当线程遇到IO等待或ticks计数（Python3改为计时器，执行时间达到阈值后，当前线程释放GIL）达到100，cpu会做切换，把cpu的时间片让给其他线程执行，此时GIL释放，释放时候所有线程继续进行锁竞争，Python里一个进程永远只能同时执行一个线程

在计算密集型操作时，GIL的存在导致多线程无法很好的立即多核CPU的并发处理能力，原因是这种情况下ticks计数很快就会达到阈值，然后触发GIL的释放与再竞争（多个线程来回切换当然是需要消耗资源的），所以Python下的多线程对CPU密集型代码并不友好
在IO密集操作线程中，比如在网络通信，网络爬虫，time.sleep()延时的时候，将释放GIL，达到并发能力，原因是单线程下有IO操作会进行IO等待，造成不必要的时间浪费，而开启多线程能在线程A等待时，自动切换到线程B，可以不浪费CPU的资源，从而能提升程序执行效率
多进程能够充分利用CPU达到并行，原因是每个进程有各自独立的GIL，互不干扰，这样就可以真正意义上的并行执行，所以在Python中，多进程的执行效率优于多线程

（2）IO密集型和CPU密集型多线程测试

以爬取网页进行解析进行测试，线程池最大线程数8个，爬去50次，总共需要1.4秒

import re
import time
import requests
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

headers = {
      ...
}


def handle(sid):
    response = requests.get("https://movie.douban.com/top250", headers=headers)
    res = re.findall(r'alt="(.*?)"', response.text, re.S)
    print(str(sid) + ",".join(res))


sid_list = list(range(50))
t1 = time.time()
with ThreadPoolExecutor(8) as executor:
    executor.map(handle, sid_list)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)  # 1.496328353881836

单线程模式测试如下需要40s，可见多线程应对IO密集型可以实现并发提高效率

t1 = time.time()
for i in range(50):
    handle(i)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)  # 40s

再测试一下CPU密集型，此处以geopy计算球面距离为例，这个计算包含多个三角函数的计算，耗时1.5s

import time
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

from geopy.distance import great_circle


def handle(sid):
    for i in range(1000):
        res = great_circle((41.49008, -71.312796), (41.499498, -81.695391)).meters
    print(str(sid) + str(res))


sid_list = list(range(100))
t1 = time.time()
with ThreadPoolExecutor(8) as executor:
    executor.map(handle, sid_list)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)  # 1.5076820850372314

再测一下单线程，竟然比多线程耗时低，可见在CPU密集型中线程频繁切换反而多线程效率更低

t1 = time.time()
for i in range(100):
    handle(i)
t2 = time.time()
print("耗时:", t2 - t1)  # 1.1195