python-----多线程笔记
多线程介绍：
多线程是为了同步完成多项任务，通过提高资源使用效率来提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候实现的。
最简单的比喻多线程就像火车的每一节车厢，而进程则是火车。车厢离开火车是无法跑动的，同理火车也可以有多节车厢。多线程的出现就是为了提高效率。同时它的出现也带来了一些问题。更多介绍请参考：https://baike.baidu.com/item/多线程/1190404?fr=aladdin
threading模块介绍：
threading模块是python中专门提供用来做多线程编程的模块。threading模块中最常用的类是Thread。以下看一个简单的多线程程序：
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import time
import threading
# 采用传统方式：
# def coding():
# for x in range(3):
# print('正在写代码%s' % x)
# time.sleep(1)
#
# def drawing():
# for x in range(3):
# print('正在画图%s' % x)
# time.sleep(1)
#
# def main():
# coding()
# drawing()
#
# if __name__ == '__main__':
# main()
# 采用多线程
def coding():
for x in range(3):
print('正在写代码%s' % threading.current_thread())
time.sleep(1)
def drawing():
for x in range(3):
print('正在画图%s' % threading.current_thread())
time.sleep(1)
def main():
t1 = threading.Thread(target=coding)
t2 = threading.Thread(target=drawing)
t1.start()
t2.start()
print(threading.enumerate()) # 查看当前线程的数量
if __name__ == '__main__':
main()
查看线程数：
使用threading.enumerate()函数便可以看到当前线程的数量。
查看当前线程的名字：
使用threading.current_thread()可以看到当前线程的信息。
继承自threading.Thread类：
为了让线程代码更好的封装。可以使用threading模块下的Thread类，继承自这个类，然后实现run方法，线程就会自动运行run方法中的代码。示例代码如下：
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
import time
class CodingThread(threading.Thread):
def run(self):
for x in range(3):
print('正在写代码%s' % threading.current_thread())
time.sleep(1)
class DrawingThread(threading.Thread):
def run(self):
for x in range(3):
print('正在画图%s' % threading.current_thread())
time.sleep(1)
def main():
t1 = CodingThread()
t2 = DrawingThread()
t1.start()
t2.start()
if __name__ == '__main__':
main()
多线程共享全局变量的问题：
多线程都是在同一个进程中运行的。因此在进程中的全局变量所有线程都是可共享的。这就造成了一个问题，因为线程执行的顺序是无序的。有可能会造成数据错误。比如以下代码：
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
VALUE = 0
def add_value():
global VALUE
for x in range(1000000):
VALUE += 1
print('value：%d' % VALUE)
def main():
for x in range(2):
t = threading.Thread(target=add_value)
t.start()
if __name__ == '__main__':
main()
锁机制
为了解决以上使用共享全局变量的问题。threading提供了一个Lock类，这个类可以在某个线程访问某个变量的时候加锁，其他线程此时就不能进来，直到当前线程处理完后，把锁释放了，其他线程才能进来处理。示例代码如下：
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
VALUE = 0
gLock = threading.Lock()
def add_value():
global VALUE
gLock.acquire()
for x in range(1000000):
VALUE += 1
gLock.release()
print('value：%d' % VALUE)
def main():
for x in range(2):
t = threading.Thread(target=add_value)
t.start()
if __name__ == '__main__':
main()
Lock版本生产者和消费者模式：
生产者和消费者模式是多线程开发中经常见到的一种模式。生产者的线程专门用来生产一些数据，然后存放到一个中间的变量中。消费者再从这个中间的变量中取出数据进行消费。但是因为要使用中间变量，中间变量经常是一些全局变量，因此需要使用锁来保证数据完整性。以下是使用threading.Lock锁实现的“生产者与消费者模式”的一个例子：
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
import random
import time
gMoney = 1000
gLock = threading.Lock()
gTotalTimes = 10
gTimes = 0
class Producer(threading.Thread):
def run(self):
global gMoney
global gTimes
while True:
money = random.randint(100,1000)
gLock.acquire()
if gTimes >= gTotalTimes:
gLock.release()
break
gMoney += money
print('%s生产了%d元钱，剩余%d元钱' % (threading.current_thread(),money,gMoney))
gTimes += 1
gLock.release()
time.sleep(0.5)
class Comsumer(threading.Thread):
def run(self):
global gMoney
while True:
money = random.randint(100,1000)
gLock.acquire()
if gMoney >= money:
gMoney -= money
print('%s消费者消费了%d元钱，剩余%d元钱'%(threading.current_thread(),money,gMoney))
else:
if gTimes >= gTotalTimes:
gLock.release()
break
print('%s消费者准备消费%d元钱，剩余%d元钱,不足！' % (threading.current_thread(),money,gMoney))
gLock.release()
time.sleep(0.5)
def main():
for x in range(3):
t = Comsumer(name="消费者线程%d" % x)
t.start()
for x in range(5):
t = Producer(name="生产者线程%d" % x)
t.start()
if __name__ == '__main__':
main()
Condition版的生产者与消费者模式：
Lock版本的生产者与消费者模式可以正常的运行。但是存在一个不足，在消费者中，总是通过while True死循环并且上锁的方式去判断钱够不够。上锁是一个很耗费CPU资源的行为。因此这种方式不是最好的。还有一种更好的方式便是使用threading.Condition来实现。threading.Condition可以在没有数据的时候处于阻塞等待状态。一旦有合适的数据了，还可以使用notify相关的函数来通知其他处于等待状态的线程。这样就可以不用做一些无用的上锁和解锁的操作。可以提高程序的性能。首先对threading.Condition相关的函数做个介绍，threading.Condition类似threading.Lock，可以在修改全局数据的时候进行上锁，也可以在修改完毕后进行解锁。以下将一些常用的函数做个简单的介绍：
acquire：上锁。release：解锁。wait：将当前线程处于等待状态，并且会释放锁。可以被其他线程使用notify和notify_all函数唤醒。被唤醒后会继续等待上锁，上锁后继续执行下面的代码。notify：通知某个正在等待的线程，默认是第1个等待的线程。notify_all：通知所有正在等待的线程。notify和notify_all不会释放锁。并且需要在release之前调用。
Condition版的生产者与消费者模式代码如下：
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
import random
import time
gMoney = 1000
gCondition = threading.Condition()
gTotalTimes = 10
gTimes = 0
class Producer(threading.Thread):
def run(self):
global gMoney
global gTimes
while True:
money = random.randint(100,1000)
gCondition.acquire()
if gTimes >= gTotalTimes:
gCondition.release()
break
gMoney += money
print('%s生产了%d元钱，剩余%d元钱' % (threading.current_thread(),money,gMoney))
gTimes += 1
gCondition.notify_all()
gCondition.release()
time.sleep(0.5)
class Comsumer(threading.Thread):
def run(self):
global gMoney
while True:
money = random.randint(100,1000)
gCondition.acquire()
while gMoney < money:
if gTimes >= gTotalTimes:
gCondition.release()
return
print('%s准备消费%d元钱，剩余%d元钱，不足！' % (threading.current_thread(),money,gMoney))
gCondition.wait()
gMoney -= money
print('%s消费了%d元钱，剩余%d元钱' % (threading.current_thread(),money,gMoney))
gCondition.release()
time.sleep(0.5)
def main():
for x in range(3):
t = Comsumer(name="消费者线程%d" % x)
t.start()
for x in range(5):
t = Producer(name="生产者线程%d" % x)
t.start()
if __name__ == '__main__':
main()
Queue线程安全队列：
在线程中，访问一些全局变量，加锁是一个经常的过程。如果你是想把一些数据存储到某个队列中，那么Python内置了一个线程安全的模块叫做queue模块。Python中的queue模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO（先进先出）队列Queue，LIFO（后入先出）队列LifoQueue。这些队列都实现了锁原语（可以理解为原子操作，即要么不做，要么都做完），能够在多线程中直接使用。可以使用队列来实现线程间的同步。相关的函数如下：
- 初始化Queue(maxsize)：创建一个先进先出的队列。
- qsize()：返回队列的大小。
- empty()：判断队列是否为空。
- full()：判断队列是否满了。
- get()：从队列中取最后一个数据。
- put()：将一个数据放到队列中。
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
from queue import Queue
import time
import threading
def set_value(q):
index = 0
while True:
q.put(index)
index += 1
time.sleep(3)
def get_value(q):
while True:
print(q.get())
def main():
q = Queue(4)
t1 = threading.Thread(target=set_value,args=[q])
t2 = threading.Thread(target=get_value,args=[q])
t1.start()
t2.start()
if __name__ == '__main__':
main()
使用生产者与消费者模式多线程下载表情包：
爬取表情包（普通）
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import requests
from lxml import etree
from urllib import request
import os
import re
def parse_page(url):
headers = {
'User-Agent':'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36'
}
response = requests.get(url,headers=headers)
text = response.text
html = etree.HTML(text)
imgs = html.xpath("//div[@class='page-content text-center']//img[@class!='gif']")
for img in imgs:
img_url = img.get('data-original')
alt = img.get('alt')
alt = re.sub(r'[\?？\.，。！!]]','',alt)
suffix = os.path.splitext(img_url)[1]
filename = alt +suffix
print(suffix)
request.urlretrieve(img_url,'images1/'+filename)
def main():
for x in range(1,101):
url = 'http://www.doutula.com/photo/list/?page=%d' % x
parse_page(url)
if __name__ == '__main__':
main()
爬取表情包（多线程）
#!/usr/bin/env python# -*- coding: utf-8 -*-
import requests
from lxml import etree
from urllib import request
import os
import re
from queue import Queue
import threading
class Procuder(threading.Thread):
headers = {
'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36'
}
def __init__(self,page_queue,img_queue,*args,**kwargs):
super(Procuder,self).__init__(*args,**kwargs)
self.page_queue = page_queue
self.img_queue = img_queue
def run(self):
while True:
if self.page_queue.empty():
break
url = self.page_queue.get()
self.parse_page(url)
def parse_page(self,url):
response = requests.get(url,headers=self.headers)
text = response.text
html = etree.HTML(text)
imgs = html.xpath("//div[@class='page-content text-center']//img[@class!='gif']")
for img in imgs:
img_url = img.get('data-original')
alt = img.get('alt')
alt = re.sub(r'[\?？\.，。！!\*]','',alt)
suffix = os.path.splitext(img_url)[1]
filename = alt +suffix
self.img_queue.put((img_url,filename))
class Consumer(threading.Thread):
def __init__(self,page_queue,img_queue,*args,**kwargs):
super(Consumer,self).__init__(*args,**kwargs)
self.page_queue = page_queue
self.img_queue = img_queue
def run(self):
while True:
if self.img_queue.empty() and self.page_queue.empty():
break
img_url ,filename = self.img_queue.get()
request.urlretrieve(img_url,'images/'+filename)
print(filename+'下载完成！')
def main():
page_queue = Queue(100)
img_queue = Queue(1000)
for x in range(1,101):
url = 'http://www.doutula.com/photo/list/?page=%d' % x
page_queue.put(url)
for x in range(5):
t = Procuder(page_queue,img_queue)
t.start()
for x in range(5):
t = Consumer(page_queue,img_queue)
t.start()
if __name__ == '__main__':
main()
GIL全局解释器锁：
Python自带的解释器是CPython。CPython解释器的多线程实际上是一个假的多线程（在多核CPU中，只能利用一核，不能利用多核）。同一时刻只有一个线程在执行，为了保证同一时刻只有一个线程在执行，在CPython解释器中有一个东西叫做GIL（Global Intepreter Lock），叫做全局解释器锁。这个解释器锁是有必要的。因为CPython解释器的内存管理不是线程安全的。当然除了CPython解释器，还有其他的解释器，有些解释器是没有GIL锁的，见下面：
Jython：用Java实现的Python解释器。不存在GIL锁。更多详情请见：https://zh.wikipedia.org/wiki/JythonIronPython：用.net实现的Python解释器。不存在GIL锁。更多详情请见：https://zh.wikipedia.org/wiki/IronPythonPyPy：用Python实现的Python解释器。存在GIL锁。更多详情请见：https://zh.wikipedia.org/wiki/PyPyGIL虽然是一个假的多线程。但是在处理一些IO操作（比如文件读写和网络请求）还是可以在很大程度上提高效率的。在IO操作上建议使用多线程提高效率。在一些CPU计算操作上不建议使用多线程，而建议使用多进程。
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