对于Python中线程问题的简单讲解

我们将会看到一些在Python中使用线程的实例和如何避免线程之间的竞争。你应当将下边的例子运行多次，以便可以注意到线程是不可预测的和线程每次运行出的不同结果。声明：从这里开始忘掉你听到过的关于GIL的东西，因为GIL不会影响到我想要展示的东西。

示例1

我们将要请求五个不同的url：
单线程
 

import time
import urllib2

def get_responses():
urls = [
 'http://www.google.com',
 'http://www.amazon.com',
 'http://www.ebay.com',
 'http://www.alibaba.com',
 'http://www.reddit.com'
]
start = time.time()
for url in urls:
 print url
 resp = urllib2.urlopen(url)
 print resp.getcode()
print "Elapsed time: ％s" ％ (time.time()-start)

get_responses()

输出是：
 

http://www.google.com 200
http://www.amazon.com 200
http://www.ebay.com 200
http://www.alibaba.com 200
http://www.reddit.com 200
Elapsed time: 3.0814409256

解释：

•     url顺序的被请求

•     除非cpu从一个url获得了回应，否则不会去请求下一个url

•     网络请求会花费较长的时间，所以cpu在等待网络请求的返回时间内一直处于闲置状态。

多线程
 

import urllib2
import time
from threading import Thread

class GetUrlThread(Thread):
def __init__(self, url):
 self.url = url
 super(GetUrlThread, self).__init__()

def run(self):
 resp = urllib2.urlopen(self.url)
 print self.url, resp.getcode()

def get_responses():
urls = [
 'http://www.google.com',
 'http://www.amazon.com',
 'http://www.ebay.com',
 'http://www.alibaba.com',
 'http://www.reddit.com'
]
start = time.time()
threads = []
for url in urls:
 t = GetUrlThread(url)
 threads.append(t)
 t.start()
for t in threads:
 t.join()
print "Elapsed time: ％s" ％ (time.time()-start)

get_responses()

输出：
 

http://www.reddit.com 200
http://www.google.com 200
http://www.amazon.com 200
http://www.alibaba.com 200
http://www.ebay.com 200
Elapsed time: 0.689890861511

解释：

•     意识到了程序在执行时间上的提升

•     我们写了一个多线程程序来减少cpu的等待时间，当我们在等待一个线程内的网络请求返回时，这时cpu可以切换到其他线程去进行其他线程内的网络请求。

•     我们期望一个线程处理一个url，所以实例化线程类的时候我们传了一个url。

•     线程运行意味着执行类里的run()方法。

•     无论如何我们想每个线程必须执行run()。

•     为每个url创建一个线程并且调用start()方法，这告诉了cpu可以执行线程中的run()方法了。

•     我们希望所有的线程执行完毕的时候再计算花费的时间，所以调用了join()方法。

•     join()可以通知主线程等待这个线程结束后，才可以执行下一条指令。

•     每个线程我们都调用了join()方法，所以我们是在所有线程执行完毕后计算的运行时间。

关于线程：

•     cpu可能不会在调用start()后马上执行run()方法。

•     你不能确定run()在不同线程建间的执行顺序。

•     对于单独的一个线程，可以保证run()方法里的语句是按照顺序执行的。

•     这就是因为线程内的url会首先被请求，然后打印出返回的结果。

实例2

我们将会用一个程序演示一下多线程间的资源竞争，并修复这个问题。
 

from threading import Thread

#define a global variable
some_var = 0

class IncrementThread(Thread):
def run(self):
 #we want to read a global variable
 #and then increment it
 global some_var
 read_value = some_var
 print "some_var in ％s is ％d" ％ (self.name, read_value)
 some_var = read_value + 1
 print "some_var in ％s after increment is ％d" ％ (self.name, some_var)

def use_increment_thread():
threads = []
for i in range(50):
 t = IncrementThread()
 threads.append(t)
 t.start()
for t in threads:
 t.join()
print "After 50 modifications, some_var should have become 50"
print "After 50 modifications, some_var is ％d" ％ (some_var,)

use_increment_thread()

多次运行这个程序，你会看到多种不同的结果。

解释：

•     有一个全局变量，所有的线程都想修改它。

•     所有的线程应该在这个全局变量上加 1 。

•     有50个线程，最后这个数值应该变成50，但是它却没有。

为什么没有达到50？

•     在some_var是15的时候，线程t1读取了some_var，这个时刻cpu将控制权给了另一个线程t2。

•     t2线程读到的some_var也是15

•     t1和t2都把some_var加到16

•     当时我们期望的是t1 t2两个线程使some_var + 2变成17

•     在这里就有了资源竞争。

•     相同的情况也可能发生在其它的线程间，所以出现了最后的结果小于50的情况。

解决资源竞争
 

from threading import Lock, Thread
lock = Lock()
some_var = 0

class IncrementThread(Thread):
def run(self):
 #we want to read a global variable
 #and then increment it
 global some_var
 lock.acquire()
 read_value = some_var
 print "some_var in ％s is ％d" ％ (self.name, read_value)
 some_var = read_value + 1
 print "some_var in ％s after increment is ％d" ％ (self.name, some_var)
 lock.release()

def use_increment_thread():
threads = []
for i in range(50):
 t = IncrementThread()
 threads.append(t)
 t.start()
for t in threads:
 t.join()
print "After 50 modifications, some_var should have become 50"
print "After 50 modifications, some_var is ％d" ％ (some_var,)

use_increment_thread()

再次运行这个程序，达到了我们预期的结果。

解释：

•     Lock 用来防止竞争条件

•     如果在执行一些操作之前，线程t1获得了锁。其他的线程在t1释放Lock之前，不会执行相同的操作

•     我们想要确定的是一旦线程t1已经读取了some_var，直到t1完成了修改some_var，其他的线程才可以读取some_var

•     这样读取和修改some_var成了逻辑上的原子操作。

实例3

让我们用一个例子来证明一个线程不能影响其他线程内的变量（非全局变量）。

time.sleep()可以使一个线程挂起，强制线程切换发生。
 

from threading import Thread
import time

class CreateListThread(Thread):
def run(self):
 self.entries = []
 for i in range(10):
  time.sleep(1)
  self.entries.append(i)
 print self.entries

def use_create_list_thread():
for i in range(3):
 t = CreateListThread()
 t.start()

use_create_list_thread()

运行几次后发现并没有打印出争取的结果。当一个线程正在打印的时候，cpu切换到了另一个线程，所以产生了不正确的结果。我们需要确保print self.entries是个逻辑上的原子操作，以防打印时被其他线程打断。

我们使用了Lock()，来看下边的例子。
 

from threading import Thread, Lock
import time

lock = Lock()

class CreateListThread(Thread):
def run(self):
 self.entries = []
 for i in range(10):
  time.sleep(1)
  self.entries.append(i)
 lock.acquire()
 print self.entries
 lock.release()

def use_create_list_thread():
for i in range(3):
 t = CreateListThread()
 t.start()

use_create_list_thread()

这次我们看到了正确的结果。证明了一个线程不可以修改其他线程内部的变量（非全局变量）。