Python 多线程编程

前言

现代操作系统如 macOS、UNIX、Linux 和 Windows 等，均支持多任务处理。本篇文章详细讲解了并行执行的概念以及如何在 Python 中利用 threading 模块实现多线程编程。

一、并行执行

①进程

进程是计算机程序的一次执行实例，是操作系统对正在运行的程序所分配的资源的集合。每个进程都有自己的内存空间、系统资源和执行状态。在操作系统中，进程是资源调度和管理的基本单位。一个进程可以包含多个线程。

②线程

线程是进程中的一个执行单元，是操作系统进行 CPU 调度的最小单位。一个进程可以由多个线程组成，它们共享进程的资源，如内存和文件描述符。在同一进程中的线程之间可以直接通信。

通俗来讲，进程就好比一家公司，是操作系统对程序进行运行管理的单位；线程就好比公司的员工，是进程实际的工作者，并且一个进程（公司）可以有多个线程（员工）。

③并行执行

并行执行是指在同一时间内进行不同的工作。

多个进程可以在操作系统中同时运行，即使在单核处理器上，进程之间也会通过时间片轮转等机制实现并行效果。

而在一个进程内部，多线程的执行更是可以帮助我们实现真正的并行操作，比如一个Python程序可以做到一个线程在输出“你好”，另一个线程在输出“Hello”，像这样一个程序在同一时间做两件乃至多件不同的事情， 我们就称之为多线程并行执行。

操作系统中可以运行多个进程，即多任务运行。

一个进程内可以运行多个线程，即多线程运行。

【注意】

• 进程之间是内存隔离的， 即不同的进程拥有各自的内存空间。 这就类似于不同的公司拥有不同的办公场所。
• 线程之间是内存共享的，线程是属于进程的，一个进程内的多个线程之间是共享这个进程所拥有的内存空间的。 这就类似于公司员工之间是共享公司的办公场所。

二、threading模块

大多数现代编程语言都支持多线程编程，Python 也不例外。Python 提供了 threading 模块来实现多线程操作，其基本的使用方法如下：

①导入**threading**模块

import threading  

②定义线程要执行的函数

def thread_function():  
    # 线程执行的任务  
    pass

③创建线程对象

thread_obj = threading.Thread([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]]

• group：暂时无用，未来功能的预留参数
• target：执行的目标任务名
• name：线程名，一般不用设置
• args：以元组的方式给执行任务传参
• kwargs：以字典方式给执行任务传参

④启动线程

thread_obj.start()

【示例】

import time
def sing():
    while True:
        print("在唱歌")
        # 等待 1 秒
        time.sleep(1)

def dance():
    while True:
        print("在唱歌")
        # 等待 1 秒
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    sing()
    dance()

运行后会一直输出“在唱歌”

输出结果： 在唱歌 在唱歌 在唱歌 ……

【分析】

在这段代码中，sing() 在主线程中运行，由于while True:永远为真，sing() 会无限循环，程序会一直在这个循环中执行。因此，dance() 函数永远不会被调用，运行后会一直输出“在唱歌”。

import time
import threading

def sing():
    while True:
        print("在唱歌")
        time.sleep(1)

def dance():
    while True:
        print("在跳舞")
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    # 创建一个新的线程，其目标函数为 sing
    sing_thread=threading.Thread(target=sing)
    # 创建另一个线程，其目标函数为 dance
    dance_thread=threading.Thread(target=dance)

    # 启动线程
    sing_thread.start()
    dance_thread.start()

输出结果： 在唱歌 在跳舞 在唱歌 在跳舞 ……

【分析】

在这段代码中，sing 和 dance 函数分别代表两个独立的线程。它们在同一时间内向控制台输出信息，实现了并行执行。

若需给线程传递参数，可以使用 args 和 kwargs形参：

• args：以元组的方式给执行任务传参
• kwargs：以字典方式给执行任务传参

【示例】

import time
import threading

def sing(msg):
    while True:
        print(msg)
        time.sleep(1)

def dance(msg):
    while True:
        print(msg)
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    # 创建一个唱歌的线程
    # 传入元组（元组是用逗号区分的,当只有一个元素时，需要在其后面加逗号）
    sing_thread=threading.Thread(target=sing,args=("在唱歌",))
    # 创建一个跳舞的线程
    dance_thread=threading.Thread(target=dance,kwargs={"msg":"在跳舞"})

    # 启动线程
    sing_thread.start()
    dance_thread.start()

输出结果： 在唱歌 在跳舞 在唱歌 在跳舞 ……

在这个例子中，sing 函数和 dance 函数各自接受消息参数，实现了更灵活的输出功能。