目錄
- 一、線程基礎(chǔ)以及守護進程
- 二、線程鎖(互斥鎖)
- 三、線程鎖(遞歸鎖)
- 四、死鎖
- 五、隊列
- 六、相關(guān)面試題
- 七、判斷數(shù)據(jù)是否安全
- 八、進程池 線程池
- 總結(jié)
一、線程基礎(chǔ)以及守護進程
線程是CPU調(diào)度的最小單位
全局解釋器鎖
全局解釋器鎖GIL(global interpreter lock)
全局解釋器鎖的出現(xiàn)主要是為了完成垃圾回收機制的回收機制,對不同線程的引用計數(shù)的變化記錄的更加精準(zhǔn)。
全局解釋器鎖導(dǎo)致了同一個進程中的多個線程只能有一個線程真正被CPU執(zhí)行。
GIL鎖每執(zhí)行700條指令才會進行一次(輪轉(zhuǎn))切換(從一個線程切換到另外一個線程)
節(jié)省的是IO操作(不占用CPU)的時間,而不是CPU計算的時間,因為CPU的計算速度非???,大多數(shù)情況下,我們沒有辦法把一條進程中所有的IO操作都規(guī)避掉。
threading模塊
import time
from threading import Thread, current_thread, enumerate, active_count
def func(i):
print('start%s' % i, current_thread().ident) # 函數(shù)中獲取當(dāng)前線程id
time.sleep(1)
print('end%s' % i)
if __name__ == '__main__':
t1 = []
for i in range(3):
t = Thread(target=func, args=(i,))
t.start()
print(t.ident) # 查看當(dāng)前線程id
t1.append(t)
print(enumerate(), active_count())
for t in t1:
t.join()
print('所有線程執(zhí)行完畢')
線程是不能從外部強制終止(terminate),所有的子線程只能是自己執(zhí)行完代碼之后就關(guān)閉。
current_thread 獲取當(dāng)前的線程對象
current_thread().ident 或者 線程對象.ident 獲取當(dāng)前線程id。
enumerate返回一個列表,存儲了所有活著的線程對象,包括主線程。
active_count返回一個數(shù)字,存儲了所有活著的線程個數(shù)。
【注意】enumerate導(dǎo)入之后,會和內(nèi)置函數(shù)enumerate重名,需要做特殊的處理
- from threading import enumerate as en
- import threading
threading.enumerate()
面向?qū)ο蠓绞介_啟一個線程
from threading import Thread
class MyThread(Thread):
def __init__(self, a, b):
super(MyThread, self).__init__()
self.a = a
self.b = b
def run(self):
print(self.ident)
t = MyThread(1, 3)
t.start() # 開啟線程,才在線程中執(zhí)行run方法
print(t.ident)
線程之間的數(shù)據(jù)是共享的
from threading import Thread
n = 100
def func():
global n
n -= 1
t_li = []
for i in range(100):
t = Thread(target=func)
t.start()
t_li.append(t)
for t in t_li:
t.join()
print(n)
結(jié)果是:0
守護線程
- 主線程會等待子線程結(jié)束之后才結(jié)束,為什么?
因為主線程結(jié)束,進程就會結(jié)束。
- 守護線程隨著主線程的結(jié)束而結(jié)束
- 守護進程會隨著主進程的代碼結(jié)束而結(jié)束,如果主進程代碼之后還有其他子進程在運行,守護進程不守護。
- 守護線程會隨著主線程的結(jié)束而結(jié)束,如果主線程代碼結(jié)束之后還有其他子線程在運行,守護線程也守護。
import time
from threading import Thread
def son():
while True:
print('in son')
time.sleep(1)
def son2():
for i in range(3):
print('in son2...')
time.sleep(1)
# flag a
t = Thread(target=son)
t.daemon = True
t.start()
# flag b a-->b用時0s
Thread(target=son2).start()
為什么守護線程會在主線程的代碼結(jié)束之后繼續(xù)守護其他子線程?
答:因為守護進程和守護線程的結(jié)束原理不同。守護進程需要主進程來回收資源,守護線程是隨著主線程的結(jié)束而結(jié)束,其他子線程–>主線程結(jié)束–>主進程結(jié)束–>整個進程中所有的資源都被回收,守護線程也會被回收。
二、線程鎖(互斥鎖)
線程之間也存在數(shù)據(jù)不安全
import dis
a = 0
def func():
global a
a += 1
dis.dis(func) # 得到func方法中的代碼翻譯成CPU指令
"""
結(jié)果
0 LOAD_GLOBAL 0 (a)
2 LOAD_CONST 1 (1)
4 INPLACE_ADD
6 STORE_GLOBAL 0 (a)
8 LOAD_CONST 0 (None)
10 RETURN_VALUE
"""
+=、-=、*=、/=、while、if、帶返回值的方法(都是先計算后賦值,前提要涉及到全局變量或靜態(tài)變量) 等都是數(shù)據(jù)不安全的,append、pop、queue、logging模塊等都是數(shù)據(jù)安全的。
列表中的方法或者字典中的方法去操作全局變量的時候,數(shù)據(jù)是安全的。
只有一個線程,永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)線程不安全現(xiàn)象。
采用加鎖的方式來保證數(shù)據(jù)安全。
from threading import Thread, Lock
n = 0
def add(lock):
for i in range(500000):
global n
with lock:
n += 1
def sub(lock):
for i in range(500000):
global n
with lock:
n -= 1
t_li = []
lock = Lock()
for i in range(2):
t1 = Thread(target=add, args=(lock,))
t1.start()
t2 = Thread(target=sub, args=(lock,))
t2.start()
t_li.append(t1)
t_li.append(t2)
for t in t_li:
t.join()
print(n)
線程安全的單例模式
import time
from threading import Thread, Lock
class A:
__instance = None
lock = Lock()
def __new__(cls, *args, **kwargs):
with cls.lock:
if not cls.__instance:
time.sleep(0.00001)
cls.__instance = super().__new__(cls)
return cls.__instance
def func():
a = A()
print(a)
for i in range(10):
Thread(target=func).start()
不用考慮加鎖的小技巧
- 不要操作全局變量
- 不要在類中操作靜態(tài)變量
因為多個線程同時操作全局變量/靜態(tài)變量,會產(chǎn)生數(shù)據(jù)不安全現(xiàn)象。
三、線程鎖(遞歸鎖)
from threading import Lock, RLock
# Lock 互斥鎖
# RLock 遞歸(recursion)鎖
l = Lock()
l.acquire()
print('希望被鎖住的代碼')
l.release()
rl = RLock() # 在同一個線程中可以被acquire多次
rl.acquire()
rl.acquire()
rl.acquire()
print('希望被鎖住的代碼')
rl.release()
from threading import Thread, RLock
def func(i, lock):
lock.acquire()
lock.acquire()
print(i, ':start')
lock.release()
lock.release()
print(i, ':end')
lock = RLock()
for i in range(5):
Thread(target=func, args=(i, lock)).start()
互斥鎖與遞歸鎖
遞歸鎖在同一個線程中可以被acquire多次,而互斥鎖不行
互斥鎖效率高,遞歸鎖效率相對低
多把互斥鎖容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象,遞歸鎖可以快速解決死鎖
四、死鎖
死鎖:指兩個或兩個以上的進程或線程在執(zhí)行過程中,因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象。
死鎖現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的?
答:有多把鎖,并且在多個線程中交叉使用。與互斥鎖、遞歸鎖無關(guān),都會發(fā)生死鎖。如果是互斥鎖,出現(xiàn)了死鎖現(xiàn)象,最快速的解決方案是把所有的互斥鎖都改成一把遞歸鎖(noodle_lock = fork_lock = RLock()),程序的效率會降低。
from threading import Thread, Lock
import time
noodle_lock = Lock()
fork_lock = Lock()
def eat1(name):
noodle_lock.acquire()
print(name, '搶到面了')
fork_lock.acquire()
print(name, '搶到叉子了')
print(name, '吃面')
time.sleep(0.0001)
fork_lock.release()
print(name, '放下叉子了')
noodle_lock.release()
print(name, '放下面了')
def eat2(name):
fork_lock.acquire()
print(name, '搶到叉子了')
noodle_lock.acquire()
print(name, '搶到面了')
print(name, '吃面')
noodle_lock.release()
print(name, '放下面了')
fork_lock.release()
print(name, '放下叉子了')
Thread(target=eat1, args=('lucy',)).start()
Thread(target=eat2, args=('jack',)).start()
Thread(target=eat1, args=('rose',)).start()
Thread(target=eat2, args=('disen',)).start()
五、隊列
隊列:線程之間數(shù)據(jù)安全的容器
線程隊列:數(shù)據(jù)安全,先進先出
原理:加鎖 + 鏈表
Queue
fifo 先進先出的隊列
get和put
import queue
q = queue.Queue(3) # fifo 先進先出的隊列
q.put(1)
q.put(2)
print(q.get())
print(q.get())
1
2
get_nowait
import queue
# from queue import Empty # 不是內(nèi)置的錯誤類型,而是queue模塊中的錯誤
q = queue.Queue() # fifo 先進先出的隊列
try:
q.get_nowait()
except queue.Empty:
pass
print('隊列為空,繼續(xù)執(zhí)行其他代碼')
put_nowait
用的很少,因為隊列滿時,拋異常,數(shù)據(jù)放不進去,丟失了。
LifoQueue
后進先出的隊列,也就是棧。last in first out
from queue import LifoQueue
lq = LifoQueue()
lq.put(1)
lq.put(2)
print(lq.get())
print(lq.get())
2
1
PriorityQueue
優(yōu)先級隊列,按照放入數(shù)據(jù)的第一位數(shù)值從小到大輸出
from queue import PriorityQueue
priq = PriorityQueue()
priq.put((2, 'lucy'))
priq.put((0, 'rose'))
priq.put((1, 'jack'))
print(priq.get())
print(priq.get())
print(priq.get())
(0, 'rose')
(1, 'jack')
(2, 'lucy')
三種隊列使用場景
先進先出:用于處理服務(wù)類任務(wù)(買票任務(wù))
后進先出:算法中用的比較多
優(yōu)先級隊列:比如,VIP制度,VIP用戶優(yōu)先;
六、相關(guān)面試題
請聊聊進程隊列的特點和實現(xiàn)原理
特點:實現(xiàn)進程之間的通信;數(shù)據(jù)安全;先進先出。
實現(xiàn)原理:基于管道 + 鎖 實現(xiàn)的,管道是基于文件級別的socket + pickle 實現(xiàn)的。
你了解生產(chǎn)者消費者模型嗎,如何實現(xiàn)
了解
為什么了解?工作經(jīng)驗
采集圖片/爬取音樂:由于要爬取大量的數(shù)據(jù),想提高爬取效率
有用過一個生產(chǎn)者消費者模型,這個模型是我自己寫的,消息中間件,用的是xxx(redis),我獲取網(wǎng)頁的過程作為生產(chǎn)者,分析網(wǎng)頁,獲取所有歌曲歌曲鏈接的過程作為消費者。
自己寫監(jiān)控,或者是自己寫郵件報警系統(tǒng),監(jiān)控程序作為生產(chǎn)者,一旦發(fā)現(xiàn)有問題的程序,就需要把要發(fā)送的郵件信息交給消息中間件redis,消費者就從中間件中取值,然后來處理發(fā)郵件的邏輯。
什么時候用過?
項目 或者 例子,結(jié)合上面一起
在python中實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者模型可以用哪些機制
消息中間件
celery(分布式框架):定時發(fā)短信的任務(wù)
從你的角度說說進程在計算機中扮演什么角色
進程用來管理一個運行中的程序的資源,是資源分配的最小單位
進程與進程之間內(nèi)存是隔離的
進程是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度的,并且多個進程之間是一種競爭關(guān)系,所以我們應(yīng)該對進程的三狀態(tài)時刻關(guān)注,盡量減少進程中的IO操作,或者在進程里面開線程來規(guī)避IO,讓我們寫的程序在運行的時候能夠更多的占用CPU資源。
為什么線程之間的數(shù)據(jù)不安全
線程之間數(shù)據(jù)共享
多線程的情況下,
如果在計算某一個變量的時候,還要進行賦值操作,這個過程不是由一條完整的CPU指令完成的;
如果在判斷某個bool表達(dá)式之后,再做某些操作,這個過程也不是由一條完整的CPU指令完成的;
在中間發(fā)生了GIL鎖的切換(時間片的輪轉(zhuǎn)),可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不安全。
讀程序,請確認(rèn)執(zhí)行到最后number的長度是否一定為 1
import threading
import time
# loop = 1E7 # 10000000.
loop = int(1E7) # 10000000
def _add(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
numbers.append(0)
def _sub(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
while not numbers:
time.sleep(1E-8)
numbers.pop()
numbers = [0]
ta = threading.Thread(target=_add, args=(loop,))
ts = threading.Thread(target=_sub, args=(loop,))
# ts1 = threading.Thread(target=_sub, args=(loop,))
ta.start()
ts.start()
# ts1.start()
ta.join()
ts.join()
# ts1.join()
因為只開啟了一個進行pop操作的線程,如果開啟多個pop操作的線程,必須在while前面加鎖,因為可能有兩個線程,一個執(zhí)行了while not numbers,發(fā)生了GIL的切換,另外一個線程執(zhí)行完了代碼,numbers剛好沒有了數(shù)據(jù),導(dǎo)致結(jié)果一個pop成功,一個pop不成功。
所以number長度一定為1,如果把注釋去了,不一定為1
讀程序,請確認(rèn)執(zhí)行到最后number的長度是否一定為 1
import threading
import time
loop = int(1E7)
def _add(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
numbers.append(0)
def _sub(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
while not numbers:
time.sleep(1E-8)
numbers.pop()
numbers = [0]
ta = threading.Thread(target=_add, args=(loop,))
ts = threading.Thread(target=_sub, args=(loop,))
ta.start()
ta.join()
ts.start()
ts.join()
一定為1,因為是同步的。
讀程序,請確認(rèn)執(zhí)行到最后number是否一定為 0
import threading
loop = int(1E7)
def _add(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
numbers += 1
def _sub(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
numbers -= 1
numbers = 0
ta = threading.Thread(target=_add, args=(loop,))
ts = threading.Thread(target=_sub, args=(loop,))
ta.start()
ta.join()
ts.start()
ts.join()
一定等于0,因為是同步的。
讀程序,請確認(rèn)執(zhí)行到最后number是否一定為 0
import threading
loop = int(1E7)
def _add(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
numbers += 1
def _sub(loop: int = 1):
global numbers
for _ in range(loop):
numbers -= 1
numbers = 0
ta = threading.Thread(target=_add, args=(loop,))
ts = threading.Thread(target=_sub, args=(loop,))
ta.start()
ts.start()
ta.join()
ts.join()
不一定為0,因為是異步的且存在 += 操作
七、判斷數(shù)據(jù)是否安全
是否數(shù)據(jù)共享,是同步還是異步(數(shù)據(jù)共享并且異步的情況下)
- +=、-=、*=、/=、a = 計算之后賦值給變量
- if、while 條件,這兩個判斷是由多個線程完成的
這兩種情況下,數(shù)據(jù)不安全。
八、進程池 線程池
以前,有多少個任務(wù)就開多少個進程或線程。
什么是池
要在程序開始的時候,還沒有提交任務(wù),先創(chuàng)建幾個線程或者進程,放在一個池子里,這就是池
為什么要用池
如果先開好進程/線程,那么有任務(wù)之后就可以直接使用這個池中的數(shù)據(jù)了;并且開好的進程/線程會一直存在在池中,可以被多個任務(wù)反復(fù)利用,這樣極大的減少了開啟/關(guān)閉/調(diào)度進程/調(diào)度線程的時間開銷。
池中的線程/進程個數(shù)控制了操作系統(tǒng)需要調(diào)用的任務(wù)個數(shù),控制池中的單位,有利于提高操作系統(tǒng)的效率,減輕操作系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, ProcessPoolExecutor
# threading模塊 沒有提供池
# multiprocessing模塊 仿照threading增加了Pool(逐漸被淘汰)
# concurrent.futures模塊 線程池,進程池都能夠用相似的方式開啟/使用
ThreadPoolExecutor() # 參數(shù)代表開啟多少個線程,線程的個數(shù)一般起cpu個數(shù)*4(或者*5)
ProcessPoolExecutor() # 參數(shù)代表開啟多少個進程,進程的個數(shù)一般起cpu個數(shù)+1
創(chuàng)建線程池并提交任務(wù)
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from threading import current_thread
import time
def func(a, b):
print(current_thread().ident, a, b)
time.sleep(1)
tp = ThreadPoolExecutor(4) # 創(chuàng)建線程池對象
for i in range(20):
# tp.submit(func, i, i + 1)
# 向池中提交任務(wù)
tp.submit(func, a=i, b=i + 1) # 位置傳參,關(guān)鍵字傳參都可以
創(chuàng)建進程池并提交任務(wù)
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor
import os
import time
def func(a, b):
print(os.getpid(), 'start', a, b)
time.sleep(1)
print(os.getpid(), 'end', a, b)
if __name__ == '__main__':
tp = ProcessPoolExecutor(4) # 創(chuàng)建進程池對象
for i in range(20):
# tp.submit(func, i, i + 1)
# 向池中提交任務(wù)
tp.submit(func, a=i, b=i + 1) # 位置傳參,關(guān)鍵字傳參都可以
獲取任務(wù)結(jié)果
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor
import os
import time
def func(a, b):
print(os.getpid(), 'start', a, b)
time.sleep(1)
print(os.getpid(), 'end', a, b)
return a * b
if __name__ == '__main__':
tp = ProcessPoolExecutor(4) # 創(chuàng)建進程池對象
future_d = {}
for i in range(20): # 異步非阻塞的
ret = tp.submit(func, a=i, b=i + 1) # future未來對象
# print(ret) # Future at 0x1ad918e1148 state=running>
# print(ret.result()) # 這樣需要等待,同步的
future_d[i] = ret
for key in future_d: # 同步阻塞的
print(key, future_d[key].result())
tp對象的map
map 只適合傳遞簡單的參數(shù),并且必須是一個可迭代的類型
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor
import os
import time
def func(a):
print(os.getpid(), 'start', a[0], a[1])
time.sleep(1)
print(os.getpid(), 'end', a[0], a[1])
return a[0] * a[1]
if __name__ == '__main__':
tp = ProcessPoolExecutor(4)
ret = tp.map(func, ((i, i + 1) for i in range(20))) # 一般函數(shù)只接收一個參數(shù),要想傳入多個,使用元組方式
for r in ret:
print(r)
回調(diào)函數(shù)
當(dāng)有一個結(jié)果需要進行處理時,都會綁定一個回調(diào)函數(shù)來處理,除非是得到所有結(jié)果之后才做處理,我們使用 把結(jié)果存入列表 遍歷列表 的方式。
回調(diào)函數(shù)效率最高的。
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from threading import current_thread
import time
def func(a, b):
print(current_thread().ident, 'start', a, b)
time.sleep(1)
print(current_thread().ident, 'end', a)
return a * b
if __name__ == '__main__':
tp = ThreadPoolExecutor(4)
future_d = {}
for i in range(20): # 異步非阻塞的
ret = tp.submit(func, a=i, b=i + 1)
future_d[i] = ret
for key in future_d: # 同步阻塞的
print(key, future_d[key].result())
上述代碼,打印結(jié)果是按照順序(0,1,2,3……),并不是誰先結(jié)束就打印誰。
使用回調(diào)函數(shù)以后,誰先執(zhí)行完就打印誰,代碼如下:
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from threading import current_thread
import time
def func(a, b):
print(current_thread().ident, 'start', a, b)
time.sleep(1)
print(current_thread().ident, 'end', a)
return a, a * b
def print_func(ret): # 異步阻塞 每個任務(wù)都是各自阻塞各自,誰先執(zhí)行完誰先打印
print(ret.result())
if __name__ == '__main__':
tp = ThreadPoolExecutor(4)
for i in range(20): # 異步非阻塞的
ret = tp.submit(func, a=i, b=i + 1) # [ret0, ret1, ..., ret19]
ret.add_done_callback(print_func) # 異步阻塞 [print_func, print_func,...,print_func]
# 回調(diào)機制
# 回調(diào)函數(shù) 給ret對象綁定一個回調(diào)函數(shù),等待ret對應(yīng)的任務(wù)有了結(jié)果之后立即調(diào)用print_func函數(shù)
# 就可以對結(jié)果立即進行處理,而不用按照順序接收結(jié)果處理結(jié)果
ret這個任務(wù)會在執(zhí)行完畢的瞬間立即觸發(fā)print_func函數(shù),并且把任務(wù)的返回值對象傳遞到print_func做參數(shù)。
回調(diào)函數(shù)的例子
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import requests
def get_page(url): # 訪問網(wǎng)頁,獲取網(wǎng)頁源代碼,用線程池中的線程來操作
respone = requests.get(url)
if respone.status_code == 200:
return {'url': url, 'text': respone.text}
def parse_page(res): # 獲取到字典結(jié)果之后,計算網(wǎng)頁源代碼的長度,把'https://www.baidu.com : 長度值'寫到文件里,線程任務(wù)執(zhí)行完畢之后綁定回調(diào)函數(shù)
res = res.result()
parse_res = 'url:%s> size:[%s]\n' % (res['url'], len(res['text']))
with open('db.txt', 'a') as f:
f.write(parse_res)
if __name__ == '__main__':
urls = [
'https://www.baidu.com',
'https://www.python.org',
'https://www.openstack.org',
'https://www.tencent.com/zh-cn',
'http://www.sina.com.cn/'
]
tp = ThreadPoolExecutor(4)
for url in urls:
ret = tp.submit(get_page, url)
ret.add_done_callback(parse_page) # 誰先回來誰就先把結(jié)果寫進文件
# 不用回調(diào)函數(shù):
# 按照順序獲取網(wǎng)頁,baidu python openstack tencent sina
# 也只能按照順序?qū)?
# 用上了回調(diào)函數(shù)
# 按照順序獲取網(wǎng)頁,baidu python openstack tencent sina
# 哪一個網(wǎng)頁先返回結(jié)果,就先執(zhí)行哪個網(wǎng)頁對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)(parse_page)
進程池線程池的應(yīng)用場景
進程池:
場景:高計算的場景,沒有IO操作(沒有文件操作,沒有數(shù)據(jù)庫操作,沒有網(wǎng)絡(luò)操作,沒有input);
進程的個數(shù):[cpu_count*1, cpu_count*2]
線程池:
場景:爬蟲
線程的個數(shù):一般根據(jù)IO的比例定制,cpu_count*5
總結(jié)
到此這篇關(guān)于Python并發(fā)編程實例教程之線程的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python并發(fā)編程線程內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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