1. 線程基礎

1.1. 線程狀態

線程有5種狀態，狀態轉換的過程如下圖所示：

1.2. 線程同步(鎖)

多線程的優勢在于可以同時運行多個任務(至少感覺起來是這樣)。但是當線程需要共享數據時，可能存在數據不同步的問題。考慮這樣一種情況：一個列表里所有元素都是0，線程”set”從后向前把所有元素改成1，而線程”print”負責從前往后讀取列表并打印。那么，可能線程”set”開始改的時候，線程”print”便來打印列表了，輸出就成了一半0一半1，這就是數據的不同步。為了避免這種情況，引入了鎖的概念。

鎖有兩種狀態——鎖定和未鎖定。每當一個線程比如”set”要訪問共享數據時，必須先獲得鎖定；如果已經有別的線程比如”print”獲得鎖定了，那么就讓線程”set”暫停，也就是同步阻塞；等到線程”print”訪問完畢，釋放鎖以后，再讓線程”set”繼續。經過這樣的處理，打印列表時要么全部輸出0，要么全部輸出1，不會再出現一半0一半1的尷尬場面。

線程與鎖的交互如下圖所示：

1.3. 線程通信(條件變量)

然而還有另外一種尷尬的情況：列表并不是一開始就有的；而是通過線程”create”創建的。如果”set”或者”print” 在”create”還沒有運行的時候就訪問列表，將會出現一個異常。使用鎖可以解決這個問題，但是”set”和”print”將需要一個無限循環——他們不知道”create”什么時候會運行，讓”create”在運行后通知”set”和”print”顯然是一個更好的解決方案。于是，引入了條件變量。

條件變量允許線程比如”set”和”print”在條件不滿足的時候(列表為None時)等待，等到條件滿足的時候(列表已經創建)發出一個通知，告訴”set” 和”print”條件已經有了，你們該起床干活了；然后”set”和”print”才繼續運行。

線程與條件變量的交互如下圖所示：

1.4. 線程運行和阻塞的狀態轉換

最后看看線程運行和阻塞狀態的轉換。

阻塞有三種情況：

同步阻塞是指處于競爭鎖定的狀態，線程請求鎖定時將進入這個狀態，一旦成功獲得鎖定又恢復到運行狀態；

等待阻塞是指等待其他線程通知的狀態，線程獲得條件鎖定后，調用“等待”將進入這個狀態，一旦其他線程發出通知，線程將進入同步阻塞狀態，再次競爭條件鎖定；

而其他阻塞是指調用time.sleep()、anotherthread.join()或等待IO時的阻塞，這個狀態下線程不會釋放已獲得的鎖定。

tips: 如果能理解這些內容，接下來的主題將是非常輕松的；并且，這些內容在大部分流行的編程語言里都是一樣的。(意思就是非看懂不可 >_< 嫌作者水平低找別人的教程也要看懂)

2. thread

Python通過兩個標準庫thread和threading提供對線程的支持。thread提供了低級別的、原始的線程以及一個簡單的鎖。

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# encoding: UTF-8

importthread

importtime

# 一個用于在線程中執行的函數

deffunc():

foriinrange(5):

print'func'

time.sleep(1)

# 結束當前線程

# 這個方法與thread.exit_thread()等價

thread.exit()# 當func返回時，線程同樣會結束

# 啟動一個線程，線程立即開始運行

# 這個方法與thread.start_new_thread()等價

# 第一個參數是方法，第二個參數是方法的參數

thread.start_new(func,())# 方法沒有參數時需要傳入空tuple

# 創建一個鎖(LockType，不能直接實例化)

# 這個方法與thread.allocate_lock()等價

lock=thread.allocate()

# 判斷鎖是鎖定狀態還是釋放狀態

printlock.locked()

# 鎖通常用于控制對共享資源的訪問

count=0

# 獲得鎖，成功獲得鎖定后返回True

# 可選的timeout參數不填時將一直阻塞直到獲得鎖定

# 否則超時后將返回False

iflock.acquire():

count+=1

# 釋放鎖

lock.release()

# thread模塊提供的線程都將在主線程結束后同時結束

time.sleep(6)

thread 模塊提供的其他方法：

thread.interrupt_main(): 在其他線程中終止主線程。

thread.get_ident(): 獲得一個代表當前線程的魔法數字，常用于從一個字典中獲得線程相關的數據。這個數字本身沒有任何含義，并且當線程結束后會被新線程復用。

thread還提供了一個ThreadLocal類用于管理線程相關的數據，名為 thread._local，threading中引用了這個類。

由于thread提供的線程功能不多，無法在主線程結束后繼續運行，不提供條件變量等等原因，一般不使用thread模塊，這里就不多介紹了。

3. threading

threading基于Java的線程模型設計。鎖(Lock)和條件變量(Condition)在Java中是對象的基本行為(每一個對象都自帶了鎖和條件變量)，而在Python中則是獨立的對象。Python Thread提供了Java Thread的行為的子集；沒有優先級、線程組，線程也不能被停止、暫停、恢復、中斷。Java Thread中的部分被Python實現了的靜態方法在threading中以模塊方法的形式提供。

threading 模塊提供的常用方法：

threading.currentThread(): 返回當前的線程變量。

threading.enumerate(): 返回一個包含正在運行的線程的list。正在運行指線程啟動后、結束前，不包括啟動前和終止后的線程。

threading.activeCount(): 返回正在運行的線程數量，與len(threading.enumerate())有相同的結果。

threading模塊提供的類：

Thread, Lock, Rlock, Condition, [Bounded]Semaphore, Event, Timer, local.

3.1. Thread

Thread是線程類，與Java類似，有兩種使用方法，直接傳入要運行的方法或從Thread繼承并覆蓋run()：

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# encoding: UTF-8

importthreading

# 方法1：將要執行的方法作為參數傳給Thread的構造方法

deffunc():

print'func() passed to Thread'

t=threading.Thread(target=func)

t.start()

# 方法2：從Thread繼承，并重寫run()

classMyThread(threading.Thread):

defrun(self):

print'MyThread extended from Thread'

t=MyThread()

t.start()

構造方法：

Thread(group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={})

group: 線程組，目前還沒有實現，庫引用中提示必須是None；

target: 要執行的方法；

name: 線程名；

args/kwargs: 要傳入方法的參數。

實例方法：

isAlive(): 返回線程是否在運行。正在運行指啟動后、終止前。

get/setName(name): 獲取/設置線程名。

is/setDaemon(bool): 獲取/設置是否守護線程。初始值從創建該線程的線程繼承。當沒有非守護線程仍在運行時，程序將終止。

start(): 啟動線程。

join([timeout]): 阻塞當前上下文環境的線程，直到調用此方法的線程終止或到達指定的timeout(可選參數)。

一個使用join()的例子：

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# encoding: UTF-8

importthreading

importtime

defcontext(tJoin):

print'in threadContext.'

tJoin.start()

# 將阻塞tContext直到threadJoin終止。

tJoin.join()

# tJoin終止后繼續執行。

print'out threadContext.'

defjoin():

print'in threadJoin.'

time.sleep(1)

print'out threadJoin.'

tJoin=threading.Thread(target=join)

tContext=threading.Thread(target=context,args=(tJoin,))

tContext.start()

運行結果：

in threadContext.

in threadJoin.

out threadJoin.

out threadContext.

3.2. Lock

Lock(指令鎖)是可用的最低級的同步指令。Lock處于鎖定狀態時，不被特定的線程擁有。Lock包含兩種狀態——鎖定和非鎖定，以及兩個基本的方法。

可以認為Lock有一個鎖定池，當線程請求鎖定時，將線程至于池中，直到獲得鎖定后出池。池中的線程處于狀態圖中的同步阻塞狀態。

構造方法：

Lock()

實例方法：

acquire([timeout]): 使線程進入同步阻塞狀態，嘗試獲得鎖定。

release(): 釋放鎖。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。

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# encoding: UTF-8

importthreading

importtime

data=0

lock=threading.Lock()

deffunc():

globaldata

print'%s acquire lock...'%threading.currentThread().getName()

# 調用acquire([timeout])時，線程將一直阻塞，

# 直到獲得鎖定或者直到timeout秒后(timeout參數可選)。

# 返回是否獲得鎖。

iflock.acquire():

print'%s get the lock.'%threading.currentThread().getName()

data+=1

time.sleep(2)

print'%s release lock...'%threading.currentThread().getName()

# 調用release()將釋放鎖。

lock.release()

t1=threading.Thread(target=func)

t2=threading.Thread(target=func)

t3=threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

t3.start()

3.3. RLock

RLock(可重入鎖)是一個可以被同一個線程請求多次的同步指令。RLock使用了“擁有的線程”和“遞歸等級”的概念，處于鎖定狀態時，RLock被某個線程擁有。擁有RLock的線程可以再次調用acquire()，釋放鎖時需要調用release()相同次數。

可以認為RLock包含一個鎖定池和一個初始值為0的計數器，每次成功調用 acquire()/release()，計數器將+1/-1，為0時鎖處于未鎖定狀態。

構造方法：

RLock()

實例方法：

acquire([timeout])/release(): 跟Lock差不多。

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# encoding: UTF-8

importthreading

importtime

rlock=threading.RLock()

deffunc():

# 第一次請求鎖定

print'%s acquire lock...'%threading.currentThread().getName()

ifrlock.acquire():

print'%s get the lock.'%threading.currentThread().getName()

time.sleep(2)

# 第二次請求鎖定

print'%s acquire lock again...'%threading.currentThread().getName()

ifrlock.acquire():

print'%s get the lock.'%threading.currentThread().getName()

time.sleep(2)

# 第一次釋放鎖

print'%s release lock...'%threading.currentThread().getName()

rlock.release()

time.sleep(2)

# 第二次釋放鎖

print'%s release lock...'%threading.currentThread().getName()

rlock.release()

t1=threading.Thread(target=func)

t2=threading.Thread(target=func)

t3=threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

t3.start()

3.4. Condition

Condition(條件變量)通常與一個鎖關聯。需要在多個Contidion中共享一個鎖時，可以傳遞一個Lock/RLock實例給構造方法，否則它將自己生成一個RLock實例。

可以認為，除了Lock帶有的鎖定池外，Condition還包含一個等待池，池中的線程處于狀態圖中的等待阻塞狀態，直到另一個線程調用notify()/notifyAll()通知；得到通知后線程進入鎖定池等待鎖定。

構造方法：

Condition([lock/rlock])

實例方法：

acquire([timeout])/release(): 調用關聯的鎖的相應方法。

wait([timeout]): 調用這個方法將使線程進入Condition的等待池等待通知，并釋放鎖。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。

notify(): 調用這個方法將從等待池挑選一個線程并通知，收到通知的線程將自動調用acquire()嘗試獲得鎖定(進入鎖定池)；其他線程仍然在等待池中。調用這個方法不會釋放鎖定。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。

notifyAll(): 調用這個方法將通知等待池中所有的線程，這些線程都將進入鎖定池嘗試獲得鎖定。調用這個方法不會釋放鎖定。使用前線程必須已獲得鎖定，否則將拋出異常。

例子是很常見的生產者/消費者模式：

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# encoding: UTF-8

importthreading

importtime

# 商品

product=None

# 條件變量

con=threading.Condition()

# 生產者方法

defproduce():

globalproduct

ifcon.acquire():

whileTrue:

ifproduct isNone:

print'produce...'

product='anything'

# 通知消費者，商品已經生產

con.notify()

# 等待通知

con.wait()

time.sleep(2)

# 消費者方法

defconsume():

globalproduct

ifcon.acquire():

whileTrue:

ifproduct isnotNone:

print'consume...'

product=None

# 通知生產者，商品已經沒了

con.notify()

# 等待通知

con.wait()

time.sleep(2)

t1=threading.Thread(target=produce)

t2=threading.Thread(target=consume)

t2.start()

t1.start()

3.5. Semaphore/BoundedSemaphore

Semaphore(信號量)是計算機科學史上最古老的同步指令之一。Semaphore管理一個內置的計數器，每當調用acquire()時-1，調用release() 時+1。計數器不能小于0；當計數器為0時，acquire()將阻塞線程至同步鎖定狀態，直到其他線程調用release()。

基于這個特點，Semaphore經常用來同步一些有“訪客上限”的對象，比如連接池。

BoundedSemaphore 與Semaphore的唯一區別在于前者將在調用release()時檢查計數器的值是否超過了計數器的初始值，如果超過了將拋出一個異常。

構造方法：

Semaphore(value=1): value是計數器的初始值。

實例方法：

acquire([timeout]): 請求Semaphore。如果計數器為0，將阻塞線程至同步阻塞狀態；否則將計數器-1并立即返回。

release(): 釋放Semaphore，將計數器+1，如果使用BoundedSemaphore，還將進行釋放次數檢查。release()方法不檢查線程是否已獲得 Semaphore。

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# encoding: UTF-8

importthreading

importtime

# 計數器初值為2

semaphore=threading.Semaphore(2)

deffunc():

# 請求Semaphore，成功后計數器-1；計數器為0時阻塞

print'%s acquire semaphore...'%threading.currentThread().getName()

ifsemaphore.acquire():

print'%s get semaphore'%threading.currentThread().getName()

time.sleep(4)

# 釋放Semaphore，計數器+1

print'%s release semaphore'%threading.currentThread().getName()

semaphore.release()

t1=threading.Thread(target=func)

t2=threading.Thread(target=func)

t3=threading.Thread(target=func)

t4=threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

t3.start()

t4.start()

time.sleep(2)

# 沒有獲得semaphore的主線程也可以調用release

# 若使用BoundedSemaphore，t4釋放semaphore時將拋出異常

print'MainThread release semaphore without acquire'

semaphore.release()

3.6. Event

Event(事件)是最簡單的線程通信機制之一：一個線程通知事件，其他線程等待事件。Event內置了一個初始為False的標志，當調用set()時設為True，調用clear()時重置為 False。wait()將阻塞線程至等待阻塞狀態。

Event其實就是一個簡化版的 Condition。Event沒有鎖，無法使線程進入同步阻塞狀態。

構造方法：

Event()

實例方法：

isSet(): 當內置標志為True時返回True。

set(): 將標志設為True，并通知所有處于等待阻塞狀態的線程恢復運行狀態。

clear(): 將標志設為False。

wait([timeout]): 如果標志為True將立即返回，否則阻塞線程至等待阻塞狀態，等待其他線程調用set()。

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# encoding: UTF-8

importthreading

importtime

event=threading.Event()

deffunc():

# 等待事件，進入等待阻塞狀態

print'%s wait for event...'%threading.currentThread().getName()

event.wait()

# 收到事件后進入運行狀態

print'%s recv event.'%threading.currentThread().getName()

t1=threading.Thread(target=func)

t2=threading.Thread(target=func)

t1.start()

t2.start()

time.sleep(2)

# 發送事件通知

print'MainThread set event.'

event.set()

3.7. Timer

Timer(定時器)是Thread的派生類，用于在指定時間后調用一個方法。

構造方法：

Timer(interval, function, args=[], kwargs={})

interval: 指定的時間

function: 要執行的方法

args/kwargs: 方法的參數

實例方法：

Timer從Thread派生，沒有增加實例方法。

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# encoding: UTF-8

importthreading

deffunc():

print'hello timer!'

timer=threading.Timer(5,func)

timer.start()

3.8. local

local是一個小寫字母開頭的類，用于管理 thread-local(線程局部的)數據。對于同一個local，線程無法訪問其他線程設置的屬性；線程設置的屬性不會被其他線程設置的同名屬性替換。

可以把local看成是一個“線程-屬性字典”的字典，local封裝了從自身使用線程作為 key檢索對應的屬性字典、再使用屬性名作為key檢索屬性值的細節。

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# encoding: UTF-8

importthreading

local=threading.local()

local.tname='main'

deffunc():

local.tname='notmain'

printlocal.tname

t1=threading.Thread(target=func)

t1.start()

t1.join()

printlocal.tname

熟練掌握Thread、Lock、Condition就可以應對絕大多數需要使用線程的場合，某些情況下local也是非常有用的東西。本文的最后使用這幾個類展示線程基礎中提到的場景：

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# encoding: UTF-8

importthreading

alist=None

condition=threading.Condition()

defdoSet():

ifcondition.acquire():

whilealist isNone:

condition.wait()

foriinrange(len(alist))[::-1]:

alist[i]=1

condition.release()

defdoPrint():

ifcondition.acquire():

whilealist isNone:

condition.wait()

foriinalist:

printi,

print

condition.release()

defdoCreate():

globalalist

ifcondition.acquire():

ifalist isNone:

alist=[0foriinrange(10)]

condition.notifyAll()

condition.release()

tset=threading.Thread(target=doSet,name='tset')

tprint=threading.Thread(target=doPrint,name='tprint')

tcreate=threading.Thread(target=doCreate,name='tcreate')

tset.start()

tprint.start()

tcreate.start()

全文完