這篇文章主要介紹了在Python下多線程編程的嘗試,由于GIL的存在,多線程在Python開發(fā)領(lǐng)域一直是個(gè)熱門問題,需要的朋友可以參考下

多任務(wù)可以由多進(jìn)程完成，也可以由一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的多線程完成。

我們前面提到了進(jìn)程是由若干線程組成的，一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。

由于線程是操作系統(tǒng)直接支持的執(zhí)行單元，因此，高級(jí)語言通常都內(nèi)置多線程的支持，Python也不例外，并且，Python的線程是真正的Posix Thread，而不是模擬出來的線程。

Python的標(biāo)準(zhǔn)庫提供了兩個(gè)模塊：thread和threading，thread是低級(jí)模塊，threading是高級(jí)模塊，對(duì)thread進(jìn)行了封裝。絕大多數(shù)情況下，我們只需要使用threading這個(gè)高級(jí)模塊。

啟動(dòng)一個(gè)線程就是把一個(gè)函數(shù)傳入并創(chuàng)建Thread實(shí)例，然后調(diào)用start()開始執(zhí)行：

import time, threading

# 新線程執(zhí)行的代碼:

def loop():

print 'thread %s is running...' % threading.current_thread().name

n = 0

while n < 5:

n = n + 1

print 'thread %s >>> %s' % (threading.current_thread().name, n)

time.sleep(1)

print 'thread %s ended.' % threading.current_thread().name

print 'thread %s is running...' % threading.current_thread().name

t = threading.Thread(target=loop, name='LoopThread')

t.start()

t.join()

print 'thread %s ended.' % threading.current_thread().name

執(zhí)行結(jié)果如下：

thread MainThread is running...

thread LoopThread is running...

thread LoopThread >>> 1

thread LoopThread >>> 2

thread LoopThread >>> 3

thread LoopThread >>> 4

thread LoopThread >>> 5

thread LoopThread ended.

thread MainThread ended.

由于任何進(jìn)程默認(rèn)就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程，我們把該線程稱為主線程，主線程又可以啟動(dòng)新的線程，Python的threading模塊有個(gè)current_thread()函數(shù)，它永遠(yuǎn)返回當(dāng)前線程的實(shí)例。主線程實(shí)例的名字叫MainThread，子線程的名字在創(chuàng)建時(shí)指定，我們用LoopThread命名子線程。名字僅僅在打印時(shí)用來顯示，完全沒有其他意義，如果不起名字Python就自動(dòng)給線程命名為Thread-1，Thread-2……

Lock

多線程和多進(jìn)程最大的不同在于，多進(jìn)程中，同一個(gè)變量，各自有一份拷貝存在于每個(gè)進(jìn)程中，互不影響，而多線程中，所有變量都由所有線程共享，所以，任何一個(gè)變量都可以被任何一個(gè)線程修改，因此，線程之間共享數(shù)據(jù)最大的危險(xiǎn)在于多個(gè)線程同時(shí)改一個(gè)變量，把內(nèi)容給改亂了。

來看看多個(gè)線程同時(shí)操作一個(gè)變量怎么把內(nèi)容給改亂了：

import time, threading

# 假定這是你的銀行存款:

balance = 0

def change_it(n):

# 先存后取，結(jié)果應(yīng)該為0:

global balance

balance = balance + n

balance = balance - n

def run_thread(n):

for i in range(100000):

change_it(n)

t1 = threading.Thread(target=run_thread, args=(5,))

t2 = threading.Thread(target=run_thread, args=(8,))

t1.start()

t2.start()

t1.join()

t2.join()

print balance

我們定義了一個(gè)共享變量balance，初始值為0，并且啟動(dòng)兩個(gè)線程，先存后取，理論上結(jié)果應(yīng)該為0，但是，由于線程的調(diào)度是由操作系統(tǒng)決定的，當(dāng)t1、t2交替執(zhí)行時(shí)，只要循環(huán)次數(shù)足夠多，balance的結(jié)果就不一定是0了。

原因是因?yàn)楦呒?jí)語言的一條語句在CPU執(zhí)行時(shí)是若干條語句，即使一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算：

balance = balance + n

也分兩步：

計(jì)算balance + n，存入臨時(shí)變量中;

將臨時(shí)變量的值賦給balance。

也就是可以看成：

x = balance + n

balance = x

由于x是局部變量，兩個(gè)線程各自都有自己的x，當(dāng)代碼正常執(zhí)行時(shí)：

初始值 balance = 0

t1: x1 = balance + 5 # x1 = 0 + 5 = 5

t1: balance = x1 # balance = 5

t1: x1 = balance - 5 # x1 = 5 - 5 = 0

t1: balance = x1 # balance = 0

t2: x2 = balance + 8 # x2 = 0 + 8 = 8

t2: balance = x2 # balance = 8

t2: x2 = balance - 8 # x2 = 8 - 8 = 0

t2: balance = x2 # balance = 0

結(jié)果 balance = 0

但是t1和t2是交替運(yùn)行的，如果操作系統(tǒng)以下面的順序執(zhí)行t1、t2：

初始值 balance = 0

t1: x1 = balance + 5 # x1 = 0 + 5 = 5

t2: x2 = balance + 8 # x2 = 0 + 8 = 8

t2: balance = x2 # balance = 8

t1: balance = x1 # balance = 5

t1: x1 = balance - 5 # x1 = 5 - 5 = 0

t1: balance = x1 # balance = 0

t2: x2 = balance - 5 # x2 = 0 - 5 = -5

t2: balance = x2 # balance = -5

結(jié)果 balance = -5

究其原因，是因?yàn)樾薷腷alance需要多條語句，而執(zhí)行這幾條語句時(shí)，線程可能中斷，從而導(dǎo)致多個(gè)線程把同一個(gè)對(duì)象的內(nèi)容改亂了。

兩個(gè)線程同時(shí)一存一取，就可能導(dǎo)致余額不對(duì)，你肯定不希望你的銀行存款莫名其妙地變成了負(fù)數(shù)，所以，我們必須確保一個(gè)線程在修改balance的時(shí)候，別的線程一定不能改。

如果我們要確保balance計(jì)算正確，就要給change_it()上一把鎖，當(dāng)某個(gè)線程開始執(zhí)行change_it()時(shí)，我們說，該線程因?yàn)楂@得了鎖，因此其他線程不能同時(shí)執(zhí)行change_it()，只能等待，直到鎖被釋放后，獲得該鎖以后才能改。由于鎖只有一個(gè)，無論多少線程，同一時(shí)刻最多只有一個(gè)線程持有該鎖，所以，不會(huì)造成修改的沖突。創(chuàng)建一個(gè)鎖就是通過threading.Lock()來實(shí)現(xiàn)：

balance = 0

lock = threading.Lock()

def run_thread(n):

for i in range(100000):

# 先要獲取鎖:

lock.acquire()

try:

# 放心地改吧:

change_it(n)

finally:

# 改完了一定要釋放鎖:

lock.release()

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行l(wèi)ock.acquire()時(shí)，只有一個(gè)線程能成功地獲取鎖，然后繼續(xù)執(zhí)行代碼，其他線程就繼續(xù)等待直到獲得鎖為止。

獲得鎖的線程用完后一定要釋放鎖，否則那些苦苦等待鎖的線程將永遠(yuǎn)等待下去，成為死線程。所以我們用try...finally來確保鎖一定會(huì)被釋放。

鎖的好處就是確保了某段關(guān)鍵代碼只能由一個(gè)線程從頭到尾完整地執(zhí)行，壞處當(dāng)然也很多，首先是阻止了多線程并發(fā)執(zhí)行，包含鎖的某段代碼實(shí)際上只能以單線程模式執(zhí)行，效率就大大地下降了。其次，由于可以存在多個(gè)鎖，不同的線程持有不同的鎖，并試圖獲取對(duì)方持有的鎖時(shí)，可能會(huì)造成死鎖，導(dǎo)致多個(gè)線程全部掛起，既不能執(zhí)行，也無法結(jié)束，只能靠操作系統(tǒng)強(qiáng)制終止。

多核CPU

如果你不幸擁有一個(gè)多核CPU，你肯定在想，多核應(yīng)該可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程。

如果寫一個(gè)死循環(huán)的話，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?

打開Mac OS X的Activity Monitor，或者Windows的Task Manager，都可以監(jiān)控某個(gè)進(jìn)程的CPU使用率。

我們可以監(jiān)控到一個(gè)死循環(huán)線程會(huì)100%占用一個(gè)CPU。

如果有兩個(gè)死循環(huán)線程，在多核CPU中，可以監(jiān)控到會(huì)占用200%的CPU，也就是占用兩個(gè)CPU核心。

要想把N核CPU的核心全部跑滿，就必須啟動(dòng)N個(gè)死循環(huán)線程。

試試用Python寫個(gè)死循環(huán)：

import threading, multiprocessing

def loop():

x = 0

while True:

x = x ^ 1

for i in range(multiprocessing.cpu_count()):

t = threading.Thread(target=loop)

t.start()

啟動(dòng)與CPU核心數(shù)量相同的N個(gè)線程，在4核CPU上可以監(jiān)控到CPU占用率僅有160%，也就是使用不到兩核。

即使啟動(dòng)100個(gè)線程，使用率也就170%左右，仍然不到兩核。

但是用C、C++或Java來改寫相同的死循環(huán)，直接可以把全部核心跑滿，4核就跑到400%，8核就跑到800%，為什么Python不行呢?

因?yàn)镻ython的線程雖然是真正的線程，但解釋器執(zhí)行代碼時(shí)，有一個(gè)GIL鎖：Global Interpreter Lock，任何Python線程執(zhí)行前，必須先獲得GIL鎖，然后，每執(zhí)行100條字節(jié)碼，解釋器就自動(dòng)釋放GIL鎖，讓別的線程有機(jī)會(huì)執(zhí)行。這個(gè)GIL全局鎖實(shí)際上把所有線程的執(zhí)行代碼都給上了鎖，所以，多線程在Python中只能交替執(zhí)行，即使100個(gè)線程跑在100核CPU上，也只能用到1個(gè)核。

GIL是Python解釋器設(shè)計(jì)的歷史遺留問題，通常我們用的解釋器是官方實(shí)現(xiàn)的CPython，要真正利用多核，除非重寫一個(gè)不帶GIL的解釋器。

所以，在Python中，可以使用多線程，但不要指望能有效利用多核。如果一定要通過多線程利用多核，那只能通過C擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)，不過這樣就失去了Python簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。

不過，也不用過于擔(dān)心，Python雖然不能利用多線程實(shí)現(xiàn)多核任務(wù)，但可以通過多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)多核任務(wù)。多個(gè)Python進(jìn)程有各自獨(dú)立的GIL鎖，互不影響。

小結(jié)

多線程編程，模型復(fù)雜，容易發(fā)生沖突，必須用鎖加以隔離，同時(shí)，又要小心死鎖的發(fā)生。

Python解釋器由于設(shè)計(jì)時(shí)有GIL全局鎖，導(dǎo)致了多線程無法利用多核。多線程的并發(fā)在Python中就是一個(gè)美麗的夢(mèng)。

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