Python 中的多线程（01/4）-编程知识

一、说明

本文介绍了 Python 编程语言中多线程的基础知识。就像多处理一样，多线程是实现多任务处理的一种方式。在多线程中，使用线程的概念。让我们首先了解计算机体系结构中线程的概念。

二、线程一般性概念

2.1 什么是 Python 中的进程？

在计算中，进程是正在执行的计算机程序的实例。任何进程都有 3 个基本组成部分：

可执行程序。
程序所需的相关数据（变量、工作区、缓冲区等）
程序的执行上下文（进程状态）

2.2 Python 线程简介

线程是进程中的一个实体，可以计划执行。此外，它是可以在 OS（操作系统）中执行的最小处理单元。简单来说，线程是程序中此类指令的序列，可以独立于其他代码执行。为简单起见，您可以假设线程只是进程的子集！线程在线程控制块（TCB）中包含所有这些信息：

线程标识符：为每个新线程分配唯一 ID （TID）
堆栈指针：指向进程中线程的堆栈。堆栈包含线程作用域下的局部变量。
程序计数器：存储线程当前正在执行的指令地址的寄存器。
线程状态：可以是“正在运行”、“就绪”、“正在等待”、“正在启动”或“完成”。
线程的寄存器集：分配给线程进行计算的寄存器。
父进程指针：指向线程所在的进程的进程控制块（PCB）的指针。

请考虑下图来了解进程与其线程之间的关系：
在这里插入图片描述
一个进程中可以存在多个线程，其中：

每个线程都包含自己的寄存器集和局部变量（存储在堆栈中）。
进程的所有线程共享全局变量（存储在堆中）和程序代码。

请考虑下图，了解内存中如何存在多个线程：
在这里插入图片描述

三、Python 中的线程

3.1 简介

多线程被定义为处理器同时执行多个线程的能力。在简单的单核 CPU 中，它是通过线程之间的频繁切换来实现的。这称为上下文切换。在上下文切换中，每当发生任何中断（由于 I/O 或手动设置）时，都会保存一个线程的状态并加载另一个线程的状态。上下文切换发生得如此频繁，以至于所有线程似乎都在并行运行（这称为多任务处理）。

请考虑下图，其中进程包含两个活动线程：
在这里插入图片描述

3.2 Python 中的多线程实现步骤

在 Python 中，threading 模块提供了一个非常简单直观的 API，用于在程序中生成多个线程。让我们尝试一步一步地理解多线程代码。

第 1 步：导入模块

首先，导入线程模块。

import threading

第 2 步：创建线程

为了创建一个新线程，我们创建了一个 Thread 类的对象。它以 ‘target’ 和 ‘args’ 作为参数。target 是线程要执行的函数，而 args 是要传递给目标函数的参数。

t1 = threading.Thread(target, args)
t2 = threading.Thread(target, args)

第 3 步：启动线程

要启动线程，我们使用 Thread 类的 start（）方法。

t1.start()
t2.start()

第 4 步：结束线程执行

一旦线程启动，当前程序（你可以把它想象成一个主线程）也会继续执行。为了停止当前程序的执行，直到线程完成，我们使用 join（）方法。

t1.join()
t2.join()

因此，当前程序将首先等待 t1 完成，然后等待 t2 完成。一旦它们完成，就会执行当前程序的其余语句。

3.3 Python 中的多线程案例

例：让我们考虑一个使用线程模块的简单示例。

此代码演示了如何使用 Python 的线程模块同时计算数字的平方和立方。创建两个线程 t1 和 t2 来执行这些计算。它们被启动，它们的结果被并行打印，然后程序在两个线程都完成时打印“完成！线程用于在处理计算密集型任务时实现并行性并提高程序性能。

import threading
def print_cube(num):print("Cube: {}" .format(num * num * num))
def print_square(num):print("Square: {}" .format(num * num))
if __name__ =="__main__":t1 = threading.Thread(target=print_square, args=(10,))t2 = threading.Thread(target=print_cube, args=(10,))t1.start()t2.start()t1.join()t2.join()print("Done!")

输出：

Square: 100
Cube: 1000
Done!

在这里插入图片描述
例：在此示例中，我们使用 os.getpid（）函数来获取当前进程的 ID。我们使用 threading.main_thread（）函数来获取主线程对象。在正常情况下，主线程是启动 Python 解释器的线程。线程对象的 name 属性用于获取线程的名称。然后我们使用 threading.current_thread（）函数来获取当前的线程对象。

考虑下面给出的 Python 程序，我们在其中打印每个任务的线程名称和相应的进程。

此代码演示了os如何使用 Python 的线程模块同时运行两个任务。主程序启动两个线程，t1 和 t2，每个线程负责执行特定任务。线程并行运行，代码提供有关进程 ID 和线程名称的信息。该模块用于访问进程 ID，“threading”模块用于管理线程及其执行。

import threading
import osdef task1():print("Task 1 assigned to thread: {}".format(threading.current_thread().name))print("ID of process running task 1: {}".format(os.getpid()))def task2():print("Task 2 assigned to thread: {}".format(threading.current_thread().name))print("ID of process running task 2: {}".format(os.getpid()))if __name__ == "__main__":print("ID of process running main program: {}".format(os.getpid()))print("Main thread name: {}".format(threading.current_thread().name))t1 = threading.Thread(target=task1, name='t1')t2 = threading.Thread(target=task2, name='t2')t1.start()t2.start()t1.join()t2.join()

输出：

ID of process running main program: 1141
Main thread name: MainThread
Task 1 assigned to thread: t1
ID of process running task 1: 1141
Task 2 assigned to thread: t2
ID of process running task 2: 1141

下图明确了上述概念：
在这里插入图片描述

四、Python 线程池

线程池是预先创建的线程集合，可以重用来执行多个任务。Python 中的 concurrent.futures 模块提供了一个 ThreadPoolExecutor 类，可以轻松创建和管理线程池。

在此示例中，我们定义了一个将在线程中运行的函数工作器。我们创建一个最多有 2 个工作线程的 ThreadPoolExecutor。然后，我们使用 submit 方法将两个任务提交到池中。池管理其工作线程中任务的执行。我们使用 shutdown 方法等待所有任务完成，然后主线程继续。

多线程可以帮助您提高程序的效率和响应速度。但是，在处理线程时要小心，以避免争用条件和死锁等问题。

此代码使用通过 concurrent.futures.ThreadPoolExecutor 创建的线程池同时运行两个工作器任务。主线程使用 pool.shutdown（wait=True）等待工作线程完成。这允许在多线程环境中高效地并行处理任务。

import concurrent.futuresdef worker():print("Worker thread running")pool = concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2)pool.submit(worker)
pool.submit(worker)pool.shutdown(wait=True)print("Main thread continuing to run")