什么是多線程

線程（thread）是操作系統(tǒng)中能夠進(jìn)行運(yùn)算的最小單位，包含于進(jìn)程之中，一個進(jìn)程可以有多個線程，這意味著一個進(jìn)程中可以并發(fā)多個線程，即為多線程。

對于一個python程序，如果需要同時大量處理多個任務(wù)，有使用多進(jìn)程和多線程兩種方法。在python中，實現(xiàn)多線程主要通過threading模塊，而多進(jìn)程主要通過multiprocessing模塊。

這兩個模塊的主要區(qū)別是：threading模塊基于線程，而multiprocessing模塊基于進(jìn)程。threading模塊使用共享內(nèi)存來實現(xiàn)多線程，所有線程都共享一樣的變量（這點在后續(xù)的實例中可以感受到）；而multiprocessing基于子進(jìn)程，每個子進(jìn)程之間都有獨立的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。兩者的區(qū)別意味著threading更使用于I/O密集型任務(wù)（例如需要進(jìn)行多表格讀取操作），multiprocessing模塊更適用于包含較多計算的CPU密集型任務(wù)（矩陣運(yùn)算，圖片處理類任務(wù)）。

需要注意的是，由于python中的GIL鎖的存在，Python解釋器只允許一個Python進(jìn)程使用，這意味著對于一個解釋器只允許一個進(jìn)程在運(yùn)行，這也是為什么threading模塊無法適用于CPU密集型這類需要大量CPU資源的任務(wù)，因為一個進(jìn)程的CPU資源有限，無論開啟多少個線程，總的資源就只有那些，總耗時不會有太大變化。而multiprocessing模塊則可以開多個進(jìn)程，能夠更快速的處理CPU密集型任務(wù)。

關(guān)于GIL鎖和Multiprocessing模塊的部分就不繼續(xù)深入介紹了，本次主要介紹如何使用threading模塊實現(xiàn)多線程的相關(guān)內(nèi)容。

線程完整生命周期

一個線程完整的生命周期包括新建——就緒——運(yùn)行——阻塞——死亡。

• 新建：即新創(chuàng)建一個線程對象
• 就緒：調(diào)用start方法后，線程對象等待運(yùn)行，什么時候開始運(yùn)行取決于調(diào)度
• 運(yùn)行：線程處于運(yùn)行狀態(tài)
• 阻塞：處于運(yùn)行狀態(tài)的線程被堵塞，通俗理解就是被卡住了，可能的原因包括但不限于程序自身調(diào)用sleep方法阻塞線程運(yùn)行，或調(diào)用了一個阻塞式I/O方法，被阻塞的進(jìn)程會等待何時解除阻塞重新運(yùn)行
• 死亡：線程執(zhí)行完畢或異常退出，線程對象被銷毀并釋放內(nèi)存

主線程與子線程

我們講的多線程實際上指的就是只在主線程中運(yùn)行多個子線程，而主線程就是我們的python編譯器執(zhí)行的線程，所有子線程和主線程都同屬于一個進(jìn)程。在未添加子線程的情況下，默認(rèn)就只有一個主線程在運(yùn)行，他會將我們寫的代碼從開頭到結(jié)尾執(zhí)行一遍，后文中我們也會提到一些主線程與子線程的關(guān)系。

不扯那么多概念了，接下來直接進(jìn)入正題！

實例1-直接使用Thread創(chuàng)建線程對象

Thread類創(chuàng)建新線程的基本語法如下：

Newthread= Thread(target=function, args=(argument1,argument2,...))

• Newthread: 創(chuàng)建的線程對象
• function: 要執(zhí)行的函數(shù)
• argument1,argument2: 傳遞給線程函數(shù)的參數(shù)，為tuple類型

假設(shè)一個任務(wù)task(當(dāng)然task可以替換為其他任何任務(wù)，本實例中僅為假設(shè))，這個任務(wù)實現(xiàn)的功能是每隔1s打印某個字母，我們使用兩個子線程，分別同時打印不同的字母a和b，實例如下：

"""
<case1: 直接使用threading中的Thread類創(chuàng)建線程>
"""
from threading import Thread
import time
from time import sleep
# 自定義的函數(shù)，可以替換成其他任何函數(shù)
def task(threadName, number, letter):
    print(f"【線程開始】{threadName}")
    m = 0
    while m < number:
        sleep(1)
        m += 1
        current_time = time.strftime('%H:%M:%S', time.localtime())
        print(f"[{current_time}] {threadName} 輸出 {letter}")
    print(f"【線程結(jié)束】{threadName}")
thread1 = Thread(target=task, args=("thread_1", 4, "a"))  # 線程1：執(zhí)行任務(wù)打印4個a
thread2 = Thread(target=task, args=("thread_2", 2, "b"))  # 線程2：執(zhí)行任務(wù)打印2個b
thread1.start()  # 線程1開始
thread2.start()  # 線程2開始
thread1.join()  # 等待線程1結(jié)束
thread2.join()  # 等待線程2結(jié)束

其輸出為：

【線程開始】thread_1
【線程開始】thread_2
[13:42:00] thread_1 輸出 a
[13:42:00] thread_2 輸出 b
[13:42:01] thread_1 輸出 a
[13:42:01] thread_2 輸出 b
【線程結(jié)束】thread_2
[13:42:02] thread_1 輸出 a
[13:42:03] thread_1 輸出 a
【線程結(jié)束】thread_1

線程thread1和thread2同時開始，thread2打印2個b后結(jié)束，而thread1繼續(xù)打印a直到完成。

實例2-使用join阻塞線程

在前一個實例中我們可以看到在結(jié)尾有thread1.join()和thread2.join()兩個語句，這兩個語句出現(xiàn)在末尾表示主線程會等待所有的子線程執(zhí)行完成，當(dāng)然了，由于默認(rèn)我們創(chuàng)建的子線程是前臺線程（這個概念會在后面提到），如果沒有join語句主線程也會等待所有子線程執(zhí)行完畢才退出。

join方法可以用于阻塞主線程的順序執(zhí)行，因此，在主線程中使用可以調(diào)整各個子線程的執(zhí)行順序，了解完這些之后，我們來看下一個實例。

"""
<case2: 使用join方法阻塞進(jìn)程>
"""
from threading import Thread
import time
from time import sleep
# 自定義的函數(shù)，可以替換成其他任何函數(shù)
def task(threadName, number, letter):
    print(f"【線程開始】{threadName}")
    m = 0
    while m < number:
        sleep(1)
        m += 1
        current_time = time.strftime('%H:%M:%S', time.localtime())
        print(f"[{current_time}] {threadName} 輸出 {letter}")
    print(f"【線程結(jié)束】{threadName}")
thread1 = Thread(target=task, args=("thread_1", 6, "a"))  # 線程1：假設(shè)任務(wù)為打印6個a
thread2 = Thread(target=task, args=("thread_2", 4, "b"))  # 線程2：假設(shè)任務(wù)為打印4個b
thread3 = Thread(target=task, args=("thread_3", 2, "c"))  # 線程3：假設(shè)任務(wù)為打印2個c
thread1.start()  # 線程1啟動
thread2.start()  # 任務(wù)2啟動
thread2.join()   # 等待線程2
thread3.start()  # 線程2完成任務(wù)后線程3才啟動
thread1.join()   # 等待線程1完成線程
thread3.join()   # 等待線程3完成線程

其輸出為：

【線程開始】thread_1
【線程開始】thread_2
[13:44:20] thread_2 輸出 b
[13:44:20] thread_1 輸出 a
[13:44:21] thread_2 輸出 b
[13:44:21] thread_1 輸出 a
[13:44:22] thread_2 輸出 b
[13:44:22] thread_1 輸出 a
[13:44:23] thread_2 輸出 b
【線程結(jié)束】thread_2
[13:44:23] thread_1 輸出 a
【線程開始】thread_3
[13:44:24] thread_3 輸出 c
[13:44:24] thread_1 輸出 a
[13:44:25] thread_1 輸出 a
[13:44:25] thread_3 輸出 c
【線程結(jié)束】thread_3
【線程結(jié)束】thread_1

由輸出可以看出，由于join的加入，thread2.join使得主進(jìn)程一直在等待thread2線程完成任務(wù)，因此直到線程thread2結(jié)束后，thread3才開始任務(wù)。

由于這里thread1一共打印6個a，thread2打印4個b，thread3打印2個c。thread1的工作量等于thread2+thread3的工作量之和，因此整個程序可以看成是thread1與thread2+thread3并行運(yùn)行。

實例3-重寫父類threading.Thread創(chuàng)建線程

實例1和2中，我們已經(jīng)介紹了如何直接導(dǎo)入Thread函數(shù)創(chuàng)建線程以及如何利用join方法，但是這種創(chuàng)建線程的方法本質(zhì)上使用的是其父類的默認(rèn)設(shè)置，具有局限性。在實例3中，將進(jìn)一步深入探討如何繼承并重寫父類threading.Thread類創(chuàng)建子線程。

和實例2相同，我們假設(shè)需要用多個線程處理任務(wù)task1，thread1打印4個a字母（耗時4s），thread2線程打印2個b字母（耗時2s），如下：

"""
<case3: 重寫父類threading.Thread創(chuàng)建線程>
"""
import threading
import time
from time import sleep
# myThread繼承父類，并進(jìn)行重寫
class myThread(threading.Thread):
    # 重寫父類的構(gòu)造函數(shù)
    def __init__(self, number, letter):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.number = number  # 添加number變量
        self.letter = letter  # 添加letter變量
    # 重寫父類中的run函數(shù)
    def run(self):
        print(f"【線程開始】{self.name}")
        task1(self.name, self.number, self.letter)
        print("【線程結(jié)束】", self.name)
    # 重寫父類析構(gòu)函數(shù)
    def __del__(self):
        print("【線程銷毀釋放內(nèi)存】", self.name)
# 自定義的函數(shù)，此處可以替換成任何其他想要多線程執(zhí)行的任務(wù)
def task1(threadName, number, letter):
    m = 0
    while m < number:
        sleep(1)
        m += 1
        current_time = time.strftime('%H:%M:%S', time.localtime())
        print(f"[{current_time}] {threadName} 輸出 {letter}")
# def task2...
# def task3...
thread1 = myThread(4, "a")  # 創(chuàng)建線程thread1：任務(wù)耗時2s
thread2 = myThread(2, "b")  # 創(chuàng)建線程thread2：任務(wù)耗時4s
thread1.start()  # 啟動線程1
thread2.start()  # 啟動線程2
thread1.join()  # 等待線程1
thread2.join()  # 等待線程2

輸出為：

【線程開始】Thread-1
【線程開始】Thread-2
[10:37:58] Thread-1 輸出 a
[10:37:58] Thread-2 輸出 b
[10:37:59] Thread-1 輸出 a
[10:37:59] Thread-2 輸出 b
【線程結(jié)束】 Thread-2
[10:38:00] Thread-1 輸出 a
[10:38:01] Thread-1 輸出 a
【線程結(jié)束】 Thread-1
【線程銷毀釋放內(nèi)存】 Thread-1
【線程銷毀釋放內(nèi)存】 Thread-2

從輸出中，我們可以清楚的看到兩個并行任務(wù)從開始到結(jié)束，最后一起銷毀并釋放內(nèi)存的全過程，很好的體現(xiàn)了線程的一個完整生命周期過程。

最后實現(xiàn)的效果與實例1實現(xiàn)的效果相同，但是使用繼承重寫父類的方法，可以讓我們更加自由的定義各項參數(shù)以及定義線程處理的任務(wù)，也能讓我們對threading模塊的理解更加深入。

實例4-前臺線程與后臺線程（守護(hù)線程）

在前面的所有實例中，我們忽略了threading.Thread的daemon參數(shù)，其默認(rèn)為False，表示線程默認(rèn)就是一個前臺線程。

前臺線程表示當(dāng)所有的前臺線程都執(zhí)行完畢時，整個程序才退出。將daemon參數(shù)設(shè)定為True是表示線程是一個后臺線程，此時主進(jìn)程結(jié)束時，所有未執(zhí)行完成的后臺線程也都會直接自動結(jié)束。

在上一個實例的基礎(chǔ)上，在初始化部分加入self.daemon=True，并去掉末尾的join方法，替換成sleep方法來阻塞主程序的運(yùn)行，我們來看看結(jié)果會變成什么樣，實例如下：

"""
<case4: 前臺線程與后臺線程>
"""
import threading
import time
from time import sleep
# myThread繼承父類，并進(jìn)行重寫
class myThread(threading.Thread):
    # 重寫父類的構(gòu)造函數(shù)
    def __init__(self, number, letter):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.number = number  # 添加number變量
        self.letter = letter  # 添加letter變量
        self.daemon = True  # 默認(rèn)前臺線程
    # 重寫父類中的run函數(shù)
    def run(self):
        print(f"【線程開始】{self.name}")
        task1(self.name, self.number, self.letter)
        print("【線程結(jié)束】", self.name)
    # 重寫父類析構(gòu)函數(shù)
    def __del__(self):
        print("【線程銷毀釋放內(nèi)存】", self.name)
# 自定義的函數(shù)，此處可以替換成任何其他想要多線程執(zhí)行的任務(wù)
def task1(threadName, number, letter):
    m = 0
    while m < number:
        sleep(1)
        m += 1
        current_time = time.strftime('%H:%M:%S', time.localtime())
        print(f"[{current_time}] {threadName} 輸出 {letter}")
# def task2...
# def task3...
thread1 = myThread(4, "a")  # 創(chuàng)建線程thread1：假設(shè)任務(wù)耗時2s
thread2 = myThread(2, "b")  # 創(chuàng)建線程thread2：假設(shè)任務(wù)耗時4s
thread1.start()  # 啟動線程1
thread2.start()  # 啟動線程2
time.sleep(3)  # 主程序等待3s再繼續(xù)執(zhí)行

其輸出將變?yōu)椋?/p>

【線程開始】Thread-1
【線程開始】Thread-2
[10:31:45] Thread-1 輸出 a
[10:31:45] Thread-2 輸出 b
[10:31:46] Thread-1 輸出 a
[10:31:46] Thread-2 輸出 b
【線程結(jié)束】 Thread-2
 
Process finished with exit code 0

我們用sleep方法強(qiáng)行阻塞了主程序3s，但是由于我們將線程設(shè)定為了后臺線程，3s過后，主程序?qū)?zhí)行完畢，此時兩個子線程thread1和thread2無論是否執(zhí)行完成，都將強(qiáng)行結(jié)束。

將daemon參數(shù)設(shè)定為False，其輸出則與實例3相同，如下：

【線程開始】Thread-1
【線程開始】Thread-2
[10:30:14] Thread-1 輸出 a
[10:30:14] Thread-2 輸出 b
[10:30:15] Thread-1 輸出 a
[10:30:15] Thread-2 輸出 b
【線程結(jié)束】 Thread-2
[10:30:16] Thread-1 輸出 a
[10:30:17] Thread-1 輸出 a
【線程結(jié)束】 Thread-1
【線程銷毀釋放內(nèi)存】 Thread-1
【線程銷毀釋放內(nèi)存】 Thread-2

實例5-線程同步（線程鎖）

我們設(shè)想一下這種情況，當(dāng)多線程同時執(zhí)行時，由于threading模塊的中線程的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)共享，可能會出現(xiàn)多個線程同時修改一個數(shù)據(jù)的情況，這絕對是不行的。

為了將各個線程同步，我們引入線程鎖的概念。當(dāng)某個線程訪問數(shù)據(jù)時，先對其加鎖，其他線程若再想訪問這個數(shù)據(jù)就會被阻塞，直到前一個線程解鎖釋放。在threading模塊中，加鎖和釋放鎖主要使用Lock類，使用其中的acquire()和release()方法：

Lock = threading.Lock()  # 在threading模塊中獲得鎖類
Lock.acquire()  # 設(shè)置鎖
Lock.release()  # 釋放鎖

在介紹線程鎖實例時，我們就不使用前面幾個實例用的打印字母的任務(wù)了。為了讓各位更加直觀地體會到線程鎖的作用，我們使用多線程對一個列表list進(jìn)行數(shù)據(jù)刪改。

假設(shè)此時有多個線程都需要對這個列表進(jìn)行修改操作，實例如下：

"""
<case5: 線程同步，線程鎖>
"""
import threading
import time
# 子類myThread繼承父類threading.Thread，并進(jìn)行重寫
class myThread(threading.Thread):
    # 重寫父類構(gòu)造函數(shù)
    def __init__(self, number):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.number = number
    # 重寫父類run函數(shù)，在調(diào)用start()時自動調(diào)用run函數(shù)
    def run(self):
        print(f"【線程開始】{self.name}")
        Lock.acquire()  # 設(shè)置線程鎖
        edit_list(self.name, self.number)
        Lock.release()  # 釋放線程鎖
    # 重寫父類析構(gòu)函數(shù)
    def __del__(self):
        print("【線程銷毀】", self.name)
# 自定義的任務(wù)函數(shù)
def edit_list(threadName, number):
    while number > 0:
        time.sleep(1)
        data_list[number-1] += 1
        current_time = time.strftime('%H:%M:%S', time.localtime())
        print(f"[{current_time}] {threadName} 修改datalist為{data_list}")
        number -= 1
    print(f"【線程{threadName}完成工作】")
data_list = [0, 0, 0, 0]
Lock = threading.Lock()
# 創(chuàng)建3個子線程
thread1 = myThread(1)
thread2 = myThread(2)
thread3 = myThread(3)
# 啟動3個子線程
thread1.start()
thread2.start()
thread3.start()
# 主進(jìn)程等待所有線程完成
thread1.join()
thread2.join()
thread3.join()
print("【主進(jìn)程結(jié)束】")

輸出為：

【線程開始】Thread-1
【線程開始】Thread-2
【線程開始】Thread-3
[09:55:22] Thread-1 修改datalist為[1, 0, 0, 0]
【線程Thread-1完成工作】
[09:55:23] Thread-2 修改datalist為[1, 1, 0, 0]
[09:55:24] Thread-2 修改datalist為[2, 1, 0, 0]
【線程Thread-2完成工作】
[09:55:25] Thread-3 修改datalist為[2, 1, 1, 0]
[09:55:26] Thread-3 修改datalist為[2, 2, 1, 0]
[09:55:27] Thread-3 修改datalist為[3, 2, 1, 0]
【線程Thread-3完成工作】
【主進(jìn)程結(jié)束】
【線程銷毀】 Thread-1
【線程銷毀】 Thread-2
【線程銷毀】 Thread-3

當(dāng)三個線程都需要使用同一個數(shù)據(jù)時，我們只需要對線程的run方法中進(jìn)行加鎖和釋放鎖的操作即可。此時三個子線程將會進(jìn)行順序操作，前一個子線程執(zhí)行完成釋放鎖后，后一個線程才會繼續(xù)執(zhí)行。要注意的是，這三個子線程使用的需要是同一把鎖。

threading模塊還有很多可選參數(shù)和方法可供使用，詳情可參見threading模塊的官方文檔

點擊鏈接：threading --- Thread-based parallelism — Python 3.12.3 文檔

以上就是Python多線程threading模塊實例詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python threading模塊的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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