Python中线程的实现

线程

在Python中，threading 库提供了线程的接口。我们通过threading 中提供的接口创建、启动、同步线程。

例1. 使用线程旋转指针

想象一个场景：程序执行了一个耗时较长的操作，如复制一个大文件，我们希望这个过程中程序显示一个动画，表示程序正常运行没有卡死。

简化一下：启动一个函数，执行 3 秒。在这3秒内，在终端持续显示指针旋转的动画。下面用线程来实现这个操作。

注：本例代码主要来自《流畅的Python》(第二版) 19.4.1

首先我们定义旋转函数spin和阻塞函数slow。 spin函数每隔0.1s依次打印|/-，看起来就像是指针转动：

import itertools
import time
def spin(msg: str) -> None:  
    for char in itertools.cycle(r'|/-'): 
        status = f'r{char} {msg}' 
        print(status, end='', flush=True)
        time.sleep(0.1)
    blanks = ' ' * len(status)
    print(f'r{blanks}r', end='')


if __name__ == '__main__':
    spin("thinking...")

slow函数用来模拟一个耗时的操作。这里我们直接调用time.sleep(3) 等待3秒，然后返回一个结果。

# 阻塞3秒，并返回42
def slow() -> int:
    time.sleep(3) 
    return 42

调用time.sleep() 阻塞所在的线程，但是释放 GIL，（如果有的话）其他 Python 线程可以继续运行。

现在，我们要用线程实现并发。看起来就像是slow和spin同时进行。下面对spin函数做了一些修改，通过threading.Event信号量来同步线程。

import itertools
import time
from threading import Thread, Event

# 旋转
def spin(msg: str, done: Event) -> None:  # done用于同步线程
    for char in itertools.cycle(r'|/-'): 
        status = f'r{char} {msg}' 
        print(status, end='', flush=True)
        if done.wait(.1): #等待/阻塞 。除非有其他线程set了这个事件,则返回True；或者经过指定的时间(0.1s)后，返回 False。
            break
    blanks = ' ' * len(status)
    print(f'r{blanks}r', end='')

# 阻塞3秒，并返回42
def slow() -> int:
    time.sleep(3) 
    return 42

使用线程来并发执行两个函数。下面我们仅启动了一个spinner线程，因为程序本身就有一个主线程。

def supervisor() -> int: 
    done = Event()  # 信号量，用于线程同步
    spinner = Thread(target=spin, args=('thinking!', done)) # 使用Thread创建线程实例spinner。
    print(f'spinner object: {spinner}') 
    spinner.start() # 启动spinner线程
    result = slow()  # 调用slow，阻塞 main 线程。同时，次线程spinner运行旋转指针动画
    done.set() # 设置done为真，唤醒等待done的线程。结束spinner中的循环。
    spinner.join() # 等待spinner 线程结束。-貌似这里加不加都不影响。
    return result
    
def main() -> None:
    result = supervisor() 
    print(f'Answer: {result}')
    
if __name__ == '__main__':
    main()

程序的执行顺序，主要步骤都发生在supervisor函数中，我们跳过main从supervisor开始看。由于GIL的存在，同一时刻只有一个线程在执行。所以下面是一个顺序执行的过程。执行过程大致如下：

主线程：创建spinner线程，启动spinner线程
spinner线程：输出字符，然后遇到done.wait(.1) 阻塞。
主线程：调用slow函数，遇到time.sleep(3) 阻塞
spinner线程：done.wait(.1) 超过了0.1秒返回False，继续输出字符。重复进行阻塞0.1秒、输出字符。
3秒后……
主线程：slow执行完毕，返回结果42。执行done.set()，这会唤醒等待done的线程spinner。
spinner线程：运行到done.wait(.1)，由于主线程执行了done.set()使得这里的结果为True，所以执行break，结束循环。执行循环下面的print语句后spinner线程结束。
主线程：返回结果。

例2.计算因子

我们看一个（失败的）并行计算的例子：
（我们希望）用n个线程并行计算n个数各自的因子。

注：本例代码来自《Effective Python》(第二版) 第53章

基准方法：逐个计算。

import time

# 计算number的因子
def factorize(number):
    for i in range(1, number + 1):
        if number % i == 0:
            yield i

numbers = [2139079, 1214759, 1516637, 1852285, 14256346, 12456533]
start = time.time()
 
for number in numbers:
    list(factorize(number))
 
end = time.time()
delta = end - start
print(f'串行方法花费了 {delta:.3f} 秒')

多线程方式：
可以像例1中使用Thread函数实现线程：

def get_factor(number):
    factors = list(factorize(number))
    return factors

start = time.time()
threads = []
for number in numbers:
    thread = Thread(target=get_factor, args=(number,))
    thread.start() # 启动
    threads.append(thread)
    
# 等待所有线程完成
for thread in threads:
    thread.join() # 等待完成

end = time.time()
delta = end - start
print(f'Thread方法花费了 {delta:.3f} 秒')

实现线程的另一种方式是继承Thread类并实现run方法：

from threading import Thread

# 继承Thread，需要实现run方法，在run方法中执行要做的事情
class FactorizeThread(Thread):
    def __init__(self, number):
        super().__init__()
        self.number = number
 
    def run(self):
        self.factors = list(factorize(self.number))


start = time.time()

threads = []
for number in numbers:
    thread = FactorizeThread(number)
    thread.start() # 启动
    threads.append(thread)
    
# 等待所有线程完成
for thread in threads:
    thread.join() # 等待完成
 
end = time.time()
delta = end - start
print(f'Thread方法花费了 {delta:.3f} 秒')