python 实现线程之间的通信

　　前言：因为GIL的限制，python的线程是无法真正意义上并行的。相对于异步编程，其性能可以说不是一个等量级的。为什么我们还要学习多线程编程呢，虽然说异步编程好处多，但编程也较为复杂，逻辑不容易理解，学习成本和维护成本都比较高。毕竟我们大部分人还是适应同步编码的，除非一些需要高性能处理的地方采用异步。

 

首先普及下进程和线程的概念：

进程：进程是操作系统资源分配的基本单位。

线程：线程是任务调度和执行的基本单位。

一个应用程序至少一个进程，一个进程至少一个线程。

两者区别：同一进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu等，但是进程之间的资源是独立的。

一、多线程

 python 可以通过 thread 或 threading 模块实现多线程，threading 相比 thread 提供了更高阶、更全面的线程管理。我们下文主要以 threading 模块介绍多线程的基本用法。

import threading
import time

class thread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadname):
        threading.Thread.__init__(self, name='线程' + threadname)

    def run(self):
        print('%s:Now timestamp is %s'%(self.name,time.time()))

threads = []
for a in range(int(5)):  # 线程个数
    threads.append(thread(str(a)))
for t in threads:  # 开启线程
    t.start()
for t in threads:  # 阻塞线程
    t.join()
print('END')


输出：
#线程3:Now timestamp is 1557386184.7574518
#线程2:Now timestamp is 1557386184.7574518
#线程0:Now timestamp is 1557386184.7574518
#线程1:Now timestamp is 1557386184.7574518
#线程4:Now timestamp is 1557386184.7582724
#END

 start() 方法开启子线程。运行多次 start() 方法代表开启多个子线程。

 join() 方法用来阻塞主线程，等待子线程执行完成。举个例子，主线程A创建了子线程B，并使用了 join() 方法，主线程A在 join() 处就被阻塞了，等待子线程B完成后，主线程A才能执行 print('END')。如果没有使用 join() 方法，主线程A创建子线程B后，不会等待子线程B，直接执行 print('END')，如下：

import threading
import time

class thread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadname):
        threading.Thread.__init__(self, name='线程' + threadname)

    def run(self):
        time.sleep(1)
        print('%s:Now timestamp is %s'%(self.name,time.time()))

threads = []
for a in range(int(5)):  # 线程个数
    threads.append(thread(str(a)))
for t in threads:  # 开启线程
    t.start()
# for t in threads:  # 阻塞线程
#     t.join()
print('END')


输出：
#END
#线程0:Now timestamp is 1557386321.376941
#线程3:Now timestamp is 1557386321.377937
#线程1:Now timestamp is 1557386321.377937
#线程2:Now timestamp is 1557386321.377937
#线程4:Now timestamp is 1557386321.377937

二、线程之间的通信

1.threading.Lock()

 如果多个线程对某一资源同时进行修改，可能会存在不可预知的情况。为了修改数据的正确性，需要把这个资源锁住，只允许线程依次排队进去获取这个资源。当线程A操作完后，释放锁，线程B才能进入。如下脚本是开启多个线程修改变量的值，但输出结果每次都不一样。

import threading

money = 0
def Order(n):
    global money
    money = money + n
    money = money - n

class thread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadname):
        threading.Thread.__init__(self, name='线程' + threadname)
        self.threadname = int(threadname)

    def run(self):
        for i in range(1000000):
            Order(self.threadname)

t1 = thread('1')
t2 = thread('5')
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
print(money)

 接下来我们用 threading.Lock() 锁住这个变量，等操作完再释放这个锁。lock.acquire() 给资源加一把锁，对资源处理完成之后，lock.release() 再释放锁。以下脚本执行结果都是一样的，但速度会变慢，因为线程只能一个个的通过。

import threading

money = 0
def Order(n):
    global money
    money = money + n
    money = money - n

class thread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadname):
        threading.Thread.__init__(self, name='线程' + threadname)
        self.threadname = int(threadname)

    def run(self):
        for i in range(1000000):
            lock.acquire()
            Order(self.threadname)
            lock.release()
#        print('%s:Now timestamp is %s'%(self.name,time.time()))

lock = threading.Lock()
t1 = thread('1')
t2 = thread('5')
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
print(money)

2.threading.Rlock()

 用法和 threading Lock() 一致，区别是 threading.Rlock() 允许多次锁资源，acquire() 和 release() 必须成对出现，也就是说加了几把锁就得释放几把锁。

lock = threading.Lock()
# 死锁
lock.acquire()
lock.acquire()
print('...')
lock.release()
lock.release()

rlock = threading.RLock()
# 同一线程内不会阻塞线程
rlock.acquire()
rlock.acquire()
print('...')
rlock.release()
rlock.release()

3.threading.Condition()

threading.Condition() 可以理解为更加高级的锁，比 Lock 和 Rlock 的用法更高级，能处理一些复杂的线程同步问题。threading.Condition() 创建一把资源锁（默认是Rlock），提供 acquire() 和 release() 方法，用法和 Rlock 一致。此外 Condition 还提供 wait()、Notify() 和 NotifyAll() 方法。

wait()：线程挂起，直到收到一个 Notify() 通知或者超时（可选参数），wait() 必须在线程得到 Rlock 后才能使用。

Notify() ：在线程挂起的时候，发送一个通知，让 wait() 等待线程继续运行，Notify() 也必须在线程得到 Rlock 后才能使用。 Notify(n=1)，最多唤醒 n 个线程。

NotifyAll() ：在线程挂起的时候，发送通知，让所有 wait() 阻塞的线程都继续运行。

举例说明下 Condition() 使用

import threading,time

def TestA():
    cond.acquire()
    print('李白：看见一个敌人，请求支援')
    cond.wait()
    print('李白：好的')
    cond.notify()
    cond.release()

def TestB():
    time.sleep(2)
    cond.acquire()
    print('亚瑟：等我...')
    cond.notify()
    cond.wait()
    print('亚瑟：我到了，发起冲锋...')

if __name__=='__main__':
    cond = threading.Condition()
    testA = threading.Thread(target=TestA)
    testB = threading.Thread(target=TestB)
    testA.start()
    testB.start()
    testA.join()
    testB.join()


输出
#李白：看见一个敌人，请求支援
#亚瑟：等我...
#李白：好的
#亚瑟：我到了，发起冲锋...

4.threading.Event()

 threading.Event() 原理是在线程中立了一个 Flag ，默认值是 False ，当一个或多个线程遇到 event.wait() 方法时阻塞，直到 Flag 值 变为 True 。threading.Event() 通常用来实现线程之间的通信，使一个线程等待其他线程的通知 ，把 Event 传递到线程对象中。

event.wait() ：阻塞线程，直到 Flag 值变为 True

event.set() ：设置 Flag 值为 True

event.clear() ：修改 Flag 值为 False

event.isSet() :  仅当 Flag 值为 True 时返回

下面这个例子，主线程启动子线程后 sleap 2秒，子线程因为 event.wait() 被阻塞。当主线程醒来后执行 event.set() ，子线程才继续运行，两者输出时间差 2s。

import threading
import datetime,time

class thread(threading.Thread):
    def __init__(self, threadname):
        threading.Thread.__init__(self, name='线程' + threadname)
        self.threadname = int(threadname)

    def run(self):
        event.wait()
        print('子线程运行时间：%s'%datetime.datetime.now())

if __name__ == '__main__':
    event = threading.Event()
    t1 = thread('0')
    #启动子线程
    t1.start()
    print('主线程运行时间：%s'%datetime.datetime.now())
    time.sleep(2)
    # Flag设置成True
    event.set()
    t1.join()


输出
#主线程运行时间：2019-05-30 15:51:49.690872
#子线程运行时间：2019-05-30 15:51:51.691523

5.其他方法

threading.active_count()：返回当前存活的线程对象的数量

threading.current_thread()：返回当前线程对象

threading.enumerate()：返回当前所有线程对象的列表

threading.get_ident()：返回线程pid

threading.main_thread()：返回主线程对象