线程的实现

在本章中，我们将学习如何在Python中实现线程。

用于线程实现的Python模块

Python 线程有时被称为轻量级进程，因为线程占用的内存比进程少得多。线程允许同时执行多个任务。在 Python 中，我们有以下两个模块在程序中实现线程 -

  • <_thread>模块

  • <线程>模块

这两个模块之间的主要区别在于<_thread>模块将线程视为函数，而<threading>模块将每个线程视为对象并以面向对象的方式实现它。此外，<_thread>模块在低级线程中有效，并且功能比<threading>模块少。

<_thread> 模块

在Python的早期版本中，我们有<thread>模块，但它在很长一段时间内被认为是“已弃用”的。我们鼓励用户改用<threading>模块。因此，在Python 3中，“thread”模块不再可用。为了在 Python3 中向后不兼容，它已被重命名为“ <_thread> ”。

为了借助<_thread>模块生成新线程，我们需要调用它的start_new_thread方法。可以借助以下语法来理解此方法的工作原理 -

_thread.start_new_thread ( function, args[, kwargs] )

这里 -

  • args是参数的元组

  • kwargs是关键字参数的可选字典

如果我们想在不传递参数的情况下调用函数，那么我们需要在args中使用参数的空元组。

此方法调用立即返回，子线程启动，并使用传递的参数列表（如果有）调用函数。当函数返回时，线程终止。

例子

以下是使用<_thread>模块生成新线程的示例。我们在这里使用 start_new_thread() 方法。

import _thread
import time

def print_time( threadName, delay):
   count = 0
   while count < 5:
      time.sleep(delay)
      count += 1
      print ("%s: %s" % ( threadName, time.ctime(time.time()) ))

try:
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-1", 2, ) )
   _thread.start_new_thread( print_time, ("Thread-2", 4, ) )
except:
   print ("Error: unable to start thread")
while 1:
   pass

输出

以下输出将帮助我们在<_thread>模块的帮助下理解新线程的生成。

Thread-1: Mon Apr 23 10:03:33 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:35 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:35 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:37 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:39 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:39 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:03:41 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:43 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:47 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:03:51 2018

<线程>模块

<threading>模块以面向对象的方式实现，并将每个线程视为一个对象。因此，它为线程提供了比 <_thread> 模块更强大、更高级的支持。该模块包含在 Python 2.4 中。

<threading> 模块中的其他方法

<threading>模块包含<_thread>模块的所有方法，但它还提供其他方法。附加方法如下 -

  • threading.activeCount() - 此方法返回活动线程对象的数量

  • threading.currentThread() - 此方法返回调用者线程控制中的线程对象的数量。

  • threading.enumerate() - 此方法返回当前活动的所有线程对象的列表。

    • 为了实现线程，<threading>模块具有Thread类，它提供以下方法 -

    • run() - run() 方法是线程的入口点。

    • start() - start() 方法通过调用 run 方法启动线程。

    • join([time]) - join() 等待线程终止。

    • isAlive() - isAlive() 方法检查线程是否仍在执行。

    • getName() - getName() 方法返回线程的名称。

    • setName() - setName() 方法设置线程的名称。

如何使用<threading>模块创建线程？

在本节中，我们将学习如何使用<threading>模块创建线程。按照以下步骤使用 <threading> 模块创建一个新线程 -

  • 步骤 1 - 在此步骤中，我们需要定义Thread类的新子类。

  • 步骤 2 - 然后为了添加额外的参数，我们需要重写__init__(self [,args])方法。

  • 步骤 3 - 在这一步中，我们需要重写 run(self [,args]) 方法来实现线程启动时应该执行的操作。

    • 现在，创建新的Thread子类后，我们可以创建它的实例，然后通过调用start()启动一个新线程，start() 又调用run()方法。

例子

考虑此示例以了解如何使用<threading>模块生成新线程。

import threading
import time
exitFlag = 0

class myThread (threading.Thread):
   def __init__(self, threadID, name, counter):
      threading.Thread.__init__(self)
      self.threadID = threadID
      self.name = name
      self.counter = counter
   def run(self):
      print ("Starting " + self.name)
      print_time(self.name, self.counter, 5)
      print ("Exiting " + self.name)
def print_time(threadName, delay, counter):
   while counter:
      if exitFlag:
         threadName.exit()
      time.sleep(delay)
      print ("%s: %s" % (threadName, time.ctime(time.time())))
      counter -= 1

thread1 = myThread(1, "Thread-1", 1)
thread2 = myThread(2, "Thread-2", 2)

thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()
print ("Exiting Main Thread")
Starting Thread-1
Starting Thread-2

输出

现在，考虑以下输出 -

Thread-1: Mon Apr 23 10:52:09 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:10 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:10 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:11 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:12 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:12 2018
Thread-1: Mon Apr 23 10:52:13 2018
Exiting Thread-1
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:14 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:16 2018
Thread-2: Mon Apr 23 10:52:18 2018
Exiting Thread-2
Exiting Main Thread

各种线程状态的Python程序

线程有五种状态——新建、可运行、运行、等待和死亡。在这五种状态中，我们将主要关注三种状态——运行、等待和死亡。线程在运行状态获取资源，在等待状态等待资源；如果执行并获取资源，则资源的最终释放处于死亡状态。

下面的Python程序在start()、sleep()和join()方法的帮助下将分别显示线程如何进入运行、等待和死亡状态。

步骤 1 - 导入必要的模块，<threading> 和 <time>

import threading
import time

步骤 2 - 定义一个函数，在创建线程时将调用该函数。

def thread_states():
   print("Thread entered in running state")

步骤 3 - 我们使用 time 模块的 sleep() 方法让我们的线程等待 2 秒。

time.sleep(2)

步骤 4 - 现在，我们创建一个名为 T1 的线程，它采用上面定义的函数的参数。

T1 = threading.Thread(target=thread_states)

步骤 5 - 现在，在 start() 函数的帮助下，我们可以启动我们的线程。它将产生我们在定义函数时设置的消息。

T1.start()
Thread entered in running state

步骤 6 - 现在，我们终于可以在线程执行完成后使用 join() 方法终止线程。

T1.join()

在Python中启动一个线程

在Python中，我们可以通过不同的方式启动一个新线程，但其中最简单的一种是将其定义为单个函数。定义函数后，我们可以将其作为新threading.Thread对象的目标传递，依此类推。执行以下 Python 代码以了解该函数的工作原理 -

import threading
import time
import random
def Thread_execution(i):
   print("Execution of Thread {} started\n".format(i))
   sleepTime = random.randint(1,4)
   time.sleep(sleepTime)
   print("Execution of Thread {} finished".format(i))
for i in range(4):
   thread = threading.Thread(target=Thread_execution, args=(i,))
   thread.start()
   print("Active Threads:" , threading.enumerate())

输出

Execution of Thread 0 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>]

Execution of Thread 1 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>,
      <Thread(Thread-3577, started 3080)>]

Execution of Thread 2 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>,
      <Thread(Thread-3577, started 3080)>,
      <Thread(Thread-3578, started 2268)>]

Execution of Thread 3 started
Active Threads:
   [<_MainThread(MainThread, started 6040)>,
      <HistorySavingThread(IPythonHistorySavingThread, started 5968)>,
      <Thread(Thread-3576, started 3932)>,
      <Thread(Thread-3577, started 3080)>,
      <Thread(Thread-3578, started 2268)>,
      <Thread(Thread-3579, started 4520)>]
Execution of Thread 0 finished
Execution of Thread 1 finished
Execution of Thread 2 finished
Execution of Thread 3 finished

Python 中的守护线程

在Python中实现守护线程之前，我们需要了解守护线程及其用法。从计算的角度来看，守护进程是一个后台进程，处理各种服务的请求，例如数据发送、文件传输等。如果不再需要，它就会处于Hibernate状态。也可以借助非守护线程来完成相同的任务。但是，在这种情况下，主线程必须手动跟踪非守护线程。另一方面，如果我们使用守护线程，那么主线程可以完全忘记这一点，并且当主线程退出时它将被杀死。关于守护线程的另一个重要点是，我们可以选择仅将它们用于非必要的任务，如果任务未完成或在其间被杀死，这些任务不会影响我们。以下是 python 中守护线程的实现 -

import threading
import time

def nondaemonThread():
   print("starting my thread")
   time.sleep(8)
   print("ending my thread")
def daemonThread():
   while True:
   print("Hello")
   time.sleep(2)
if __name__ == '__main__':
   nondaemonThread = threading.Thread(target = nondaemonThread)
   daemonThread = threading.Thread(target = daemonThread)
   daemonThread.setDaemon(True)
   daemonThread.start()
   nondaemonThread.start()

在上面的代码中，有两个函数，即>nondaemonThread()和>daemonThread()。第一个函数打印其状态并在 8 秒后Hibernate，而 deamonThread() 函数则无限期地每 2 秒打印一次 Hello。我们可以借助以下输出来理解非守护线程和守护线程之间的区别 -

Hello

starting my thread
Hello
Hello
Hello
Hello
ending my thread
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello