理解Python中的線程

鄭重聲明版權(quán)屬于 http://agiliq.com/blog/2013/09/understanding-threads-in-python/

我們將會(huì)看到一些在Python中使用線程的實(shí)例和如何避免線程之間的競爭勾效。

你應(yīng)當(dāng)將下邊的例子運(yùn)行多次,以便可以注意到線程是不可預(yù)測的和線程每次運(yùn)行出的不同結(jié)果。

聲明:從這里開始忘掉你聽到過的關(guān)于GIL的東西,因?yàn)镚IL不會(huì)影響到我想要展示的東西争便。

示例1:

我們將要請(qǐng)求五個(gè)不同的url:

單線程
import time
import urllib2

def get_responses():
    urls = [
        'http://www.google.com',
        'http://www.amazon.com',
        'http://www.ebay.com',
        'http://www.alibaba.com',
        'http://www.reddit.com'
    ]
    start = time.time()
    for url in urls:
        print url
        resp = urllib2.urlopen(url)
        print resp.getcode()
    print "Elapsed time: %s" % (time.time()-start)

get_responses()

輸出是:

http://www.google.com 200
http://www.amazon.com 200
http://www.ebay.com 200
http://www.alibaba.com 200
http://www.reddit.com 200
Elapsed time: 3.0814409256

解釋:

  • url順序的被請(qǐng)求
  • 除非cpu從一個(gè)url獲得了回應(yīng),否則不會(huì)去請(qǐng)求下一個(gè)url
  • 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求會(huì)花費(fèi)較長的時(shí)間断医,所以cpu在等待網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的返回時(shí)間內(nèi)一直處于閑置狀態(tài)滞乙。
多線程
import urllib2
import time
from threading import Thread

class GetUrlThread(Thread):
    def __init__(self, url):
        self.url = url 
        super(GetUrlThread, self).__init__()

    def run(self):
        resp = urllib2.urlopen(self.url)
        print self.url, resp.getcode()

def get_responses():
    urls = [
        'http://www.google.com', 
        'http://www.amazon.com', 
        'http://www.ebay.com', 
        'http://www.alibaba.com', 
        'http://www.reddit.com'
    ]
    start = time.time()
    threads = []
    for url in urls:
        t = GetUrlThread(url)
        threads.append(t)
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print "Elapsed time: %s" % (time.time()-start)

get_responses()

輸出:

http://www.reddit.com 200
http://www.google.com 200
http://www.amazon.com 200
http://www.alibaba.com 200
http://www.ebay.com 200
Elapsed time: 0.689890861511

解釋:

  • 意識(shí)到了程序在執(zhí)行時(shí)間上的提升
  • 我們寫了一個(gè)多線程程序來減少cpu的等待時(shí)間,當(dāng)我們?cè)诘却粋€(gè)線程內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求返回時(shí)鉴嗤,這時(shí)cpu可以切換到其他線程去進(jìn)行其他線程內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求斩启。
  • 我們期望一個(gè)線程處理一個(gè)url,所以實(shí)例化線程類的時(shí)候我們傳了一個(gè)url醉锅。
  • 線程運(yùn)行意味著執(zhí)行類里的run()方法兔簇。
  • 無論如何我們想每個(gè)線程必須執(zhí)行run()
  • 為每個(gè)url創(chuàng)建一個(gè)線程并且調(diào)用start()方法硬耍,這告訴了cpu可以執(zhí)行線程中的run()方法了垄琐。
  • 我們希望所有的線程執(zhí)行完畢的時(shí)候再計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間,所以調(diào)用了join()方法经柴。
  • join()可以通知主線程等待這個(gè)線程結(jié)束后狸窘,才可以執(zhí)行下一條指令。
  • 每個(gè)線程我們都調(diào)用了join()方法口锭,所以我們是在所有線程執(zhí)行完畢后計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間。

關(guān)于線程:

  • cpu可能不會(huì)在調(diào)用start()后馬上執(zhí)行run()方法介杆。
  • 你不能確定run()在不同線程建間的執(zhí)行順序鹃操。
  • 對(duì)于單獨(dú)的一個(gè)線程,可以保證run()方法里的語句是按照順序執(zhí)行的春哨。
  • 這就是因?yàn)榫€程內(nèi)的url會(huì)首先被請(qǐng)求荆隘,然后打印出返回的結(jié)果。

實(shí)例2

我們將會(huì)用一個(gè)程序演示一下多線程間的資源競爭赴背,并修復(fù)這個(gè)問題椰拒。

from threading import Thread


#define a global variable
some_var = 0 

class IncrementThread(Thread):
    def run(self):
        #we want to read a global variable
        #and then increment it
        global some_var
        read_value = some_var
        print "some_var in %s is %d" % (self.name, read_value)
        some_var = read_value + 1 
        print "some_var in %s after increment is %d" % (self.name, some_var)

def use_increment_thread():
    threads = []
    for i in range(50):
        t = IncrementThread()
        threads.append(t)
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print "After 50 modifications, some_var should have become 50"
    print "After 50 modifications, some_var is %d" % (some_var,)

use_increment_thread()

多次運(yùn)行這個(gè)程序,你會(huì)看到多種不同的結(jié)果凰荚。

解釋:

  • 有一個(gè)全局變量燃观,所有的線程都想修改它。
  • 所有的線程應(yīng)該在這個(gè)全局變量上加 1 便瑟。
  • 有50個(gè)線程缆毁,最后這個(gè)數(shù)值應(yīng)該變成50,但是它卻沒有到涂。

為什么沒有達(dá)到50脊框?

  • some_var15的時(shí)候颁督,線程t1讀取了some_var,這個(gè)時(shí)刻cpu將控制權(quán)給了另一個(gè)線程t2浇雹。
  • t2線程讀到的some_var也是15
  • t1t2都把some_var加到16
  • 當(dāng)時(shí)我們期望的是t1 t2兩個(gè)線程使some_var + 2變成17
  • 在這里就有了資源競爭沉御。
  • 相同的情況也可能發(fā)生在其它的線程間,所以出現(xiàn)了最后的結(jié)果小于50的情況昭灵。

解決資源競爭

from threading import Lock, Thread
lock = Lock()
some_var = 0 


class IncrementThread(Thread):
    def run(self):
        #we want to read a global variable
        #and then increment it
        global some_var
        lock.acquire()
        read_value = some_var
        print "some_var in %s is %d" % (self.name, read_value)
        some_var = read_value + 1 
        print "some_var in %s after increment is %d" % (self.name, some_var)
        lock.release()

def use_increment_thread():
    threads = []
    for i in range(50):
        t = IncrementThread()
        threads.append(t)
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print "After 50 modifications, some_var should have become 50"
    print "After 50 modifications, some_var is %d" % (some_var,)

use_increment_thread()

再次運(yùn)行這個(gè)程序吠裆,達(dá)到了我們預(yù)期的結(jié)果。

解釋:

  • Lock 用來防止競爭條件
  • 如果在執(zhí)行一些操作之前虎锚,線程t1獲得了鎖硫痰。其他的線程在t1釋放Lock之前,不會(huì)執(zhí)行相同的操作
  • 我們想要確定的是一旦線程t1已經(jīng)讀取了some_var窜护,直到t1完成了修改some_var效斑,其他的線程才可以讀取some_var
  • 這樣讀取和修改some_var成了邏輯上的原子操作。

實(shí)例3

讓我們用一個(gè)例子來證明一個(gè)線程不能影響其他線程內(nèi)的變量(非全局變量)柱徙。

time.sleep()可以使一個(gè)線程掛起缓屠,強(qiáng)制線程切換發(fā)生。

from threading import Thread
import time

class CreateListThread(Thread):
    def run(self):
        self.entries = []
        for i in range(10):
            time.sleep(1)
            self.entries.append(i)
        print self.entries

def use_create_list_thread():
    for i in range(3):
        t = CreateListThread()
        t.start()

use_create_list_thread()

運(yùn)行幾次后發(fā)現(xiàn)并沒有打印出爭取的結(jié)果护侮。當(dāng)一個(gè)線程正在打印的時(shí)候敌完,cpu切換到了另一個(gè)線程,所以產(chǎn)生了不正確的結(jié)果羊初。我們需要確保print self.entries是個(gè)邏輯上的原子操作吗氏,以防打印時(shí)被其他線程打斷。

我們使用了Lock()骑祟,來看下邊的例子逛犹。

from threading import Thread, Lock
import time

lock = Lock()

class CreateListThread(Thread):
    def run(self):
        self.entries = []
        for i in range(10):
            time.sleep(1)
            self.entries.append(i)
        lock.acquire()
        print self.entries
        lock.release()

def use_create_list_thread():
    for i in range(3):
        t = CreateListThread()
        t.start()

use_create_list_thread()

這次我們看到了正確的結(jié)果。證明了一個(gè)線程不可以修改其他線程內(nèi)部的變量(非全局變量)

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