Python執行緒threading(Thread類)

前言

幾乎所有的作業系統都支援同時執行多個任務，每個任務通常是一個程式，每一個執行中的程式就是一個程序，即程序是應用程式的執行範例。現代的作業系統幾乎都支援多程序並行執行。注意，並行和並行是兩個概念，並行指在同一時刻有多條指令在多個處理器上同時執行；並行是指在同一時刻只能有一條指令執行，但多個程序指令被快速輪換執行，使得在宏觀上具有多個程序同時執行的效果。
例如，程式設計師一邊開著開發工具在寫程式，一邊開著參考手冊備查，同時還使用電腦播放音樂……除此之外，每臺電腦執行時還有大量底層的支撐性程式在執行……這些程序看上去像是在同時工作。但事實的真相是，對於一個 CPU 而言，在某個時間點它只能執行一個程式。也就是說，只能執行一個程序，CPU 不斷地在這些程序之間輪換執行。那麼，為什麼使用者感覺不到任何中斷呢？這是因為相對人的感覺來說，CPU 的執行速度太快了（如果啟動的程式足夠多，則使用者依然可以感覺到程式的執行速度下降了）。所以，雖然 CPU 在多個程序之間輪換執行，但使用者感覺到好像有多個程序在同時執行。

執行緒是程序的組成部分，一個程序可以擁有多個執行緒。在多執行緒中，會有一個主執行緒來完成整個程序從開始到結束的全部操作，而其他的執行緒會在主執行緒的執行過程中被建立或退出。當程序被初始化後，主執行緒就被建立了，對於絕大多數的應用程式來說，通常僅要求有一個主執行緒，但也可以在程序內建立多個順序執行流，這些順序執行流就是執行緒。當一個程序裡只有一個執行緒時，叫作單執行緒。超過一個執行緒就叫作多執行緒。每個執行緒必須有自己的父程序，且它可以擁有自己的堆疊、程式計數器和區域性變數，但不擁有系統資源，因為它和父程序的其他執行緒共用該程序所擁有的全部資源。執行緒可以完成一定的任務，可以與其他執行緒共用父程序中的共用變數及部分環境，相互之間協同完成程序所要完成的任務。多個執行緒共用父程序裡的全部資源，會使得程式設計更加方便，需要注意的是，要確保執行緒不會妨礙同一程序中的其他執行緒。執行緒是獨立執行的，它並不知道程序中是否還有其他執行緒存在。執行緒的執行是搶佔式的，也就是說，當前執行的執行緒在任何時候都可能被掛起，以便另外一個執行緒可以執行。多執行緒也是並行執行的，即同一時刻，Python 主程式只允許有一個執行緒執行，這和全域性直譯器鎖有關係，後續會做詳細介紹。
一個執行緒可以建立和復原另一個執行緒，同一個程序中的多個執行緒之間可以並行執行。從邏輯的角度來看，多執行緒存在於一個應用程式中，讓一個應用程式可以有多個執行部分同時執行，但作業系統無須將多個執行緒看作多個獨立的應用，對多執行緒實現排程和管理以及資源分配，執行緒的排程和管理由程序本身負責完成。

簡而言之，程序和執行緒的關係是這樣的：作業系統可以同時執行多個任務，每一個任務就是一個程序，程序可以同時執行多個任務，每一個任務就是一個執行緒。

Python建立執行緒 threading

Python 中，有關執行緒開發的部分被單獨封裝到了模組中，和執行緒相關的模組有以下 2 個：
​​​_thread​​​：是 Python 3 以前版本中 thread 模組的重新命名，此模組僅提供了低階別的、原始的執行緒支援，以及一個簡單的鎖。功能比較有限。正如它的名字所暗示的（以 _ 開頭），一般不建議使用 thread 模組；
​​​threading​​：Python 3 之後的執行緒模組，提供了功能豐富的多執行緒支援，推薦使用。

本節就以 threading 模組為例進行講解。Python 主要通過兩種方式來建立執行緒：

• 使用 threading 模組中 Thread 類的構造器建立執行緒。即直接對類 threading.Thread 進行範例化建立執行緒，並呼叫範例化物件的 start() 方法啟動執行緒。
• 繼承 threading 模組中的 Thread 類建立執行緒類。即用 threading.Thread 派生出一個新的子類，將新建類範例化建立執行緒，並呼叫其 start() 方法啟動執行緒。

呼叫Thread類的構造器建立執行緒

Thread 類提供瞭如下的 ​​__init__()​​​構造器，可以用來建立執行緒：​​__init__(self, group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs=None, *,daemon=None)​​ 此構造方法中，以上所有引數都是可選引數，即可以使用，也可以忽略。其中各個引數的含義如下：

• group：指定所建立的執行緒隸屬於哪個執行緒組（此引數尚未實現，無需呼叫）；
• target：指定所建立的執行緒要排程的目標方法（最常用）；
• args：以元組的方式，為 target 指定的方法傳遞引數；
• kwargs：以字典的方式，為 target 指定的方法傳遞引數；
• daemon：指定所建立的執行緒是否為後代執行緒。
  這些引數，初學者只需記住 target、args、kwargs 這 3 個引數的功能即可。

下面程式演示瞭如何使用 Thread 類的構造方法建立一個執行緒：

import threading
#定義執行緒要呼叫的方法，*add可接收多個以非關鍵字方式傳入的引數
def action(*add):
for arc in add:
#呼叫 getName() 方法獲取當前執行該程式的執行緒名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為執行緒方法傳入的引數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",
"http://c.biancheng.net/shell/",
"http://c.biancheng.net/java/")
#建立執行緒
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)

有關 Thread 類提供的和執行緒有關的方法，可閱讀​ ​Python Thread手冊​​​，由於不是本節重點，這裡不再進行詳細介紹。
由此就建立好了一個執行緒。但是執行緒需要手動啟動才能執行，threading 模組提供了 start() 方法用來啟動執行緒。因此在上面程式的基礎上，新增如下語句：thread.start()
再次執行程式，

其輸出結果為：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/

可以看到，新建立的 thread 執行緒（執行緒名為 Thread-1）執行了 action() 函數。
預設情況下，主執行緒的名字為 MainThread，使用者啟動的多個執行緒的名字依次為 Thread-1、Thread-2、Thread-3、…、Thread-n 等。

為了使 thread 執行緒的作用更加明顯，可以繼續在上面程式的基礎上新增如下程式碼，讓主執行緒和新建立執行緒同時工作：

for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

再次執行程式，其輸出結果為：

MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/python/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/shell/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread

可以看到，當前程式中有 2 個執行緒，分別為主執行緒 MainThread 和子執行緒 Thread-1，它們以並行方式執行，即 Thread-1 執行一段時間，然後 MainThread 執行一段時間。通過輪流獲得 CPU 執行一段時間的方式，程式的執行在多個執行緒之間切換，從而給使用者一種錯覺，即多個執行緒似乎同時在執行。
如果程式中不顯式建立任何執行緒，則所有程式的執行，都將由主執行緒 MainThread 完成，程式就只能按照順序依次執行。

繼承Thread類建立執行緒類

通過繼承 Thread 類，我們可以自定義一個執行緒類，從而範例化該類物件，獲得子執行緒。需要注意的是，在建立 Thread 類的子類時，必須重寫從父類別繼承得到的 run() 方法。因為該方法即為要建立的子執行緒執行的方法，其功能如同第一種建立方法中的 action() 自定義函數。

下面程式，演示瞭如何通過繼承 Thread 類建立並啟動一個執行緒：

import threading
#建立子執行緒類，繼承自 Thread 類
class my_Thread(threading.Thread):
def __init__(self,add):
threading.Thread.__init__(self)
self.add = add
# 重寫run()方法
def run(self):
for arc in self.add:
#呼叫 getName() 方法獲取當前執行該程式的執行緒名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為 run() 方法傳入的引數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",
"http://c.biancheng.net/shell/",
"http://c.biancheng.net/java/")
#建立子執行緒
mythread = my_Thread(my_tuple)
#啟動子執行緒
mythread.start()
#主執行緒執行此迴圈
for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

程式執行結果為：

MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/python/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/shell/
MainThreadThread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread

此程式中，子執行緒 Thread-1 執行的是 run() 方法中的程式碼，而 MainThread 執行的是主程式中的程式碼，它們以快速輪換 CPU 的方式在執行。

Thread join()用法

如何通過 Thread 類建立並啟動一個執行緒，當時給讀者用如下的程式進行演示：

import threading
#定義執行緒要呼叫的方法，*add可接收多個以非關鍵字方式傳入的引數
def action(*add):
    for arc in add:
        #呼叫 getName() 方法獲取當前執行該程式的執行緒名
        print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為執行緒方法傳入的引數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",
            "http://c.biancheng.net/shell/",
            "http://c.biancheng.net/java/")
#建立執行緒
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)
#啟動執行緒
thread.start()
#主執行緒執行如下語句
for i in range(5):
    print(threading.current_thread().getName())

程式執行結果為（不唯一）：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/MainThread
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/MainThread
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/MainThread
MainThread
MainThread

可以看到，我們用 Thread 類建立了一個執行緒（執行緒名為 Thread-1），其任務是執行 action() 函數。同時，我們也給主執行緒 MainThread 安排了迴圈任務（第 16、17 行）。通過前面的學習我們知道，主執行緒 MainThread 和子執行緒 Thread-1 會輪流獲得 CPU 資源，因此該程式的輸出結果才會向上面顯示的這樣。
但是，如果我們想讓 Thread-1 子執行緒先執行，然後再讓 MainThread 執行第 16、17 行程式碼，該如何實現呢？很簡單，通過呼叫執行緒物件的 join() 方法即可。
join() 方法的功能是在程式指定位置，優先讓該方法的呼叫者使用 CPU 資源。該方法的語法格式如下：thread.join( [timeout] )

其中，thread 為 Thread 類或其子類的範例化物件；timeout 引數作為可選引數，其功能是指定 thread 執行緒最多可以霸佔 CPU 資源的時間（以秒為單位），如果省略，則預設直到 thread 執行結束（進入死亡狀態）才釋放 CPU 資源。

舉個例子，修改上面的程式碼，如下所示：

import threading
#定義執行緒要呼叫的方法，*add可接收多個以非關鍵字方式傳入的引數
def action(*add):
for arc in add:
#呼叫 getName() 方法獲取當前執行該程式的執行緒名
print(threading.current_thread().getName() +" "+ arc)
#定義為執行緒方法傳入的引數
my_tuple = ("http://c.biancheng.net/python/",
"http://c.biancheng.net/shell/",
"http://c.biancheng.net/java/")
#建立執行緒
thread = threading.Thread(target = action,args =my_tuple)
#啟動執行緒
thread.start()
#指定 thread 執行緒優先執行完畢
thread.join()
#主執行緒執行如下語句
for i in range(5):
print(threading.current_thread().getName())

程式執行結果為：

Thread-1 http://c.biancheng.net/python/
Thread-1 http://c.biancheng.net/shell/
Thread-1 http://c.biancheng.net/java/
MainThread
MainThread
MainThread
MainThread
MainThread

程式中第 16 行的位置，thread 執行緒呼叫了 join() 方法，並且沒有指定具體的 timeout 引數值。這意味著如果程式想繼續往下執行，必須先執行完 thread 執行緒。

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