Python多執行緒是什麼及怎麼用
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- 2023-05-13 11:55:14862瀏覽
什麼是執行緒？為什麼你想要它？
從本質上講，Python是一種線性語言，但當你需要更多的處理能力時，線程模組非常方便。雖然Python中的執行緒不能用於平行CPU運算，但它非常適合I/O操作，如web抓取，因為處理器處於空閒狀態，等待資料。
執行緒正在改變遊戲規則，因為許多與網路/資料I/O相關的腳本將大部分時間用於等待來自遠端來源的資料。由於下載可能沒有連結（即，抓取單獨的網站），處理器可以並行地從不同的資料來源下載，並在最後合併結果。對於CPU密集型進程，使用執行緒模組沒有什麼好處。
幸運的是，執行緒包含在標準函式庫中：
import threading from queue import Queue import time
你可以使用target作為可呼叫對象，使用args將參數傳遞給函數，並start啟動執行緒。
def testThread(num): print num if __name__ == '__main__': for i in range(5): t = threading.Thread(target=testThread, arg=(i,)) t.start()
如果你以前從未見過if __name__ == '__main__':，這基本上是一種確保嵌套在其中的程式碼僅在腳本直接運行（而不是導入）時運行的方法。
鎖定
同一作業系統程序的執行緒將運算工作負載分散到多個核心中，如C 和Java等程式語言所示。通常，python只使用一個進程，從該進程產生一個主執行緒來執行運行時。由於一種稱為全域解釋器鎖定（global interpreter lock）的鎖定機制，它保持在單一核上，而不管電腦有多少核，也不管產生了多少新線程，這種機制是為了防止所謂的競爭條件。
提到競爭，我想到了想到 NASCAR 和一級方程式賽車。讓我們用這個類比，想像所有一級方程式賽車手都試圖同時在一輛賽車上比賽。聽起來很荒謬，對吧？ ，這只有在每個司機都可以使用自己的車的情況下才有可能，或者最好還是一次跑一圈，每次把車交給下一個司機。
這與執行緒中發生的情況非常相似。線程是從“主”線程“派生”的，每個後續線程都是前一個線程的副本。這些執行緒都存在於同一進程「上下文」（事件或競爭）中，因此分配給該進程的所有資源（如記憶體）都是共享的。例如，在典型的python解釋器會話中：
>>> a = 8
在這裡，a 透過讓記憶體中的某個任意位置暫時保持值 8 來消耗很少的記憶體 (RAM)。
到目前為止一切順利，讓我們啟動一些執行緒並觀察它們的行為，當加入兩個數字x#時y：
import time
import threading
from threading import Thread
a = 8
def threaded_add(x, y):
# simulation of a more complex task by asking
# python to sleep, since adding happens so quick!
for i in range(2):
global a
print("computing task in a different thread!")
time.sleep(1)
#this is not okay! but python will force sync, more on that later!
a = 10
print(a)
# the current thread will be a subset fork!
if __name__ != "__main__":
current_thread = threading.current_thread()
# here we tell python from the main
# thread of execution make others
if __name__ == "__main__":
thread = Thread(target = threaded_add, args = (1, 2))
thread.start()
thread.join()
print(a)
print("main thread finished...exiting")
>>> computing task in a different thread! >>> 10 >>> computing task in a different thread! >>> 10 >>> 10 >>> main thread finished...exiting
兩個線程當前正在運行。讓我們把它們稱為thread_one和thread_two。如果thread_one想要用值10修改a，而thread_two同時嘗試更新同一變量，我們就有問題了！將出現稱為資料競爭的情況，且a的結果值將不一致。
一場你沒有看的賽車比賽，但從你的兩個朋友那裡聽到了兩個相互矛盾的結果！ thread_one告訴你一件事，thread two反駁了這一點！這裡有一個偽程式碼片段說明：
a = 8 # spawns two different threads 1 and 2 # thread_one updates the value of a to 10 if (a == 10): # a check #thread_two updates the value of a to 15 a = 15 b = a * 2 # if thread_one finished first the result will be 20 # if thread_two finished first the result will be 30 # who is right?
到底是怎麼回事？
Python是一種解釋語言，這意味著它帶有一個解釋器——一個從另一種語言解析其原始程式碼的程式！ python中的一些此類解釋器包括cpython、pypypy、Jpython和IronPython，其中，cpython是python的原始實作。
CPython是一個解釋器，它提供與C以及其他程式語言的外部函數接口，它將python原始碼編譯成中間字節碼，由CPython虛擬機進行解釋。迄今為止和未來的討論都是關於CPython和理解環境中的行為。
内存模型和锁定机制
编程语言使用程序中的对象来执行操作。这些对象由基本数据类型组成，如string、integer或boolean。它们还包括更复杂的数据结构，如list或classes/objects。程序对象的值存储在内存中，以便快速访问。在程序中使用变量时，进程将从内存中读取值并对其进行操作。在早期的编程语言中，大多数开发人员负责他们程序中的所有内存管理。这意味着在创建列表或对象之前，首先必须为变量分配内存。在这样做时，你可以继续释放以“释放”内存。
在python中，对象通过引用存储在内存中。引用是对象的一种标签，因此一个对象可以有许多名称，比如你如何拥有给定的名称和昵称。引用是对象的精确内存位置。引用计数器用于python中的垃圾收集，这是一种自动内存管理过程。
在引用计数器的帮助下，python通过在创建或引用对象时递增引用计数器和在取消引用对象时递减来跟踪每个对象。当引用计数为0时，对象的内存将被释放。
import sys import gc hello = "world" #reference to 'world' is 2 print (sys.getrefcount(hello)) bye = "world" other_bye = bye print(sys.getrefcount(bye)) print(gc.get_referrers(other_bye))
>>> 4
>>> 6
>>> [['sys', 'gc', 'hello', 'world', 'print', 'sys', 'getrefcount', 'hello', 'bye', 'world', 'other_bye', 'bye', 'print', 'sys', 'getrefcount', 'bye', 'print', 'gc', 'get_referrers', 'other_bye'], (0, None, 'world'), {'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <_frozen_importlib_external.sourcefileloader>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module>, '__file__': 'test.py', '__cached__': None, 'sys': <module>, 'gc': <module>, 'hello': 'world', 'bye': 'world', 'other_bye': 'world'}]</module></module></module></_frozen_importlib_external.sourcefileloader>
需要保护这些参考计数器变量，防止竞争条件或内存泄漏。以保护这些变量；可以将锁添加到跨线程共享的所有数据结构中。
CPython 的 GIL 通过一次允许一个线程控制解释器来控制 Python 解释器。它为单线程程序提供了性能提升，因为只需要管理一个锁，但代价是它阻止了多线程 CPython 程序在某些情况下充分利用多处理器系统。
当用户编写python程序时，性能受CPU限制的程序和受I/O限制的程序之间存在差异。CPU通过同时执行许多操作将程序推到极限，而I/O程序必须花费时间等待I/O。
因此，只有多线程程序在GIL中花费大量时间来解释CPython字节码；GIL成为瓶颈。即使没有严格必要，GIL也会降低性能。例如，一个用python编写的同时处理IO和CPU任务的程序：
import time, os
from threading import Thread, current_thread
from multiprocessing import current_process
COUNT = 200000000
SLEEP = 10
def io_bound(sec):
pid = os.getpid()
threadName = current_thread().name
processName = current_process().name
print(f"{pid} * {processName} * {threadName} \
---> Start sleeping...")
time.sleep(sec)
print(f"{pid} * {processName} * {threadName} \
---> Finished sleeping...")
def cpu_bound(n):
pid = os.getpid()
threadName = current_thread().name
processName = current_process().name
print(f"{pid} * {processName} * {threadName} \
---> Start counting...")
while n>0:
n -= 1
print(f"{pid} * {processName} * {threadName} \
---> Finished counting...")
def timeit(function,args,threaded=False):
start = time.time()
if threaded:
t1 = Thread(target = function, args =(args, ))
t2 = Thread(target = function, args =(args, ))
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
else:
function(args)
end = time.time()
print('Time taken in seconds for running {} on Argument {} is {}s -{}'.format(function,args,end - start,"Threaded" if threaded else "None Threaded"))
if __name__=="__main__":
#Running io_bound task
print("IO BOUND TASK NON THREADED")
timeit(io_bound,SLEEP)
print("IO BOUND TASK THREADED")
#Running io_bound task in Thread
timeit(io_bound,SLEEP,threaded=True)
print("CPU BOUND TASK NON THREADED")
#Running cpu_bound task
timeit(cpu_bound,COUNT)
print("CPU BOUND TASK THREADED")
#Running cpu_bound task in Thread
timeit(cpu_bound,COUNT,threaded=True)
>>> IO BOUND TASK NON THREADED >>> 17244 * MainProcess * MainThread ---> Start sleeping... >>> 17244 * MainProcess * MainThread ---> Finished sleeping... >>> 17244 * MainProcess * MainThread ---> Start sleeping... >>> 17244 * MainProcess * MainThread ---> Finished sleeping... >>> Time taken in seconds for running <function> on Argument 10 is 20.036664724349976s -None Threaded >>> IO BOUND TASK THREADED >>> 10180 * MainProcess * Thread-1 ---> Start sleeping... >>> 10180 * MainProcess * Thread-2 ---> Start sleeping... >>> 10180 * MainProcess * Thread-1 ---> Finished sleeping... >>> 10180 * MainProcess * Thread-2 ---> Finished sleeping... >>> Time taken in seconds for running <function> on Argument 10 is 10.01464056968689s -Threaded >>> CPU BOUND TASK NON THREADED >>> 14172 * MainProcess * MainThread ---> Start counting... >>> 14172 * MainProcess * MainThread ---> Finished counting... >>> 14172 * MainProcess * MainThread ---> Start counting... >>> 14172 * MainProcess * MainThread ---> Finished counting... >>> Time taken in seconds for running <function> on Argument 200000000 is 44.90199875831604s -None Threaded >>> CPU BOUND TASK THEADED >>> 15616 * MainProcess * Thread-1 ---> Start counting... >>> 15616 * MainProcess * Thread-2 ---> Start counting... >>> 15616 * MainProcess * Thread-1 ---> Finished counting... >>> 15616 * MainProcess * Thread-2 ---> Finished counting... >>> Time taken in seconds for running <function> on Argument 200000000 is 106.09711360931396s -Threaded</function></function></function></function>
从结果中我们注意到，multithreading在多个IO绑定任务中表现出色，执行时间为10秒，而非线程方法执行时间为20秒。我们使用相同的方法执行CPU密集型任务。好吧，最初它确实同时启动了我们的线程，但最后，我们看到整个程序的执行需要大约106秒！然后发生了什么？这是因为当Thread-1启动时，它获取全局解释器锁（GIL），这防止Thread-2使用CPU。因此，Thread-2必须等待Thread-1完成其任务并释放锁，以便它可以获取锁并执行其任务。锁的获取和释放增加了总执行时间的开销。因此，可以肯定地说，线程不是依赖CPU执行任务的理想解决方案。
这种特性使并发编程变得困难。如果GIL在并发性方面阻碍了我们，我们是不是应该摆脱它，还是能够关闭它？。嗯，这并不容易。其他功能、库和包都依赖于GIL，因此必须有一些东西来取代它，否则整个生态系统将崩溃。这是一个很难解决的问题。
多进程
我们已经证实，CPython使用锁来保护数据不受竞速的影响，尽管这种锁存在，但程序员已经找到了一种显式实现并发的方法。当涉及到GIL时，我们可以使用multiprocessing库来绕过全局锁。多处理实现了真正意义上的并发，因为它在不同CPU核上跨不同进程执行代码。它创建了一个新的Python解释器实例，在每个内核上运行。不同的进程位于不同的内存位置，因此它们之间的对象共享并不容易。在这个实现中，python为每个要运行的进程提供了不同的解释器；因此在这种情况下，为多处理中的每个进程提供单个线程。
import os
import time
from multiprocessing import Process, current_process
SLEEP = 10
COUNT = 200000000
def count_down(cnt):
pid = os.getpid()
processName = current_process().name
print(f"{pid} * {processName} \
---> Start counting...")
while cnt > 0:
cnt -= 1
def io_bound(sec):
pid = os.getpid()
threadName = current_thread().name
processName = current_process().name
print(f"{pid} * {processName} * {threadName} \
---> Start sleeping...")
time.sleep(sec)
print(f"{pid} * {processName} * {threadName} \
---> Finished sleeping...")
if __name__ == '__main__':
# creating processes
start = time.time()
#CPU BOUND
p1 = Process(target=count_down, args=(COUNT, ))
p2 = Process(target=count_down, args=(COUNT, ))
#IO BOUND
#p1 = Process(target=, args=(SLEEP, ))
#p2 = Process(target=count_down, args=(SLEEP, ))
# starting process_thread
p1.start()
p2.start()
# wait until finished
p1.join()
p2.join()
stop = time.time()
elapsed = stop - start
print ("The time taken in seconds is :", elapsed)
>>> 1660 * Process-2 ---> Start counting... >>> 10184 * Process-1 ---> Start counting... >>> The time taken in seconds is : 12.815475225448608
可以看出，对于cpu和io绑定任务，multiprocessing性能异常出色。MainProcess启动了两个子进程，Process-1和Process-2，它们具有不同的PIDs，每个都执行将COUNT减少到零的任务。每个进程并行运行，使用单独的CPU内核和自己的Python解释器实例，因此整个程序执行只需12秒。
请注意，输出可能以无序的方式打印，因为过程彼此独立。这是因为每个进程都在自己的默认主线程中执行函数。
我们还可以使用asyncio库（上一节我已经讲过了，没看的可以返回到上一节去学习）绕过GIL锁。asyncio的基本概念是，一个称为事件循环的python对象控制每个任务的运行方式和时间。事件循环知道每个任务及其状态。就绪状态表示任务已准备好运行，等待阶段表示任务正在等待某个外部任务完成。在异步IO中，任务永远不会放弃控制，也不会在执行过程中被中断，因此对象共享是线程安全的。
import time
import asyncio
COUNT = 200000000
# asynchronous function defination
async def func_name(cnt):
while cnt > 0:
cnt -= 1
#asynchronous main function defination
async def main ():
# Creating 2 tasks.....You could create as many tasks (n tasks)
task1 = loop.create_task(func_name(COUNT))
task2 = loop.create_task(func_name(COUNT))
# await each task to execute before handing control back to the program
await asyncio.wait([task1, task2])
if __name__ =='__main__':
# get the event loop
start_time = time.time()
loop = asyncio.get_event_loop()
# run all tasks in the event loop until completion
loop.run_until_complete(main())
loop.close()
print("--- %s seconds ---" % (time.time() - start_time))
>>> --- 41.74118399620056 seconds ---
我们可以看到，asyncio需要41秒来完成倒计时，这比multithreading的106秒要好，但对于cpu受限的任务，不如multiprocessing的12秒。Asyncio创建一个eventloop和两个任务task1和task2，然后将这些任务放在eventloop上。然后，程序await任务的执行，因为事件循环执行所有任务直至完成。
为了充分利用python中并发的全部功能，我们还可以使用不同的解释器。JPython和IronPython没有GIL，这意味着用户可以充分利用多处理器系统。
与线程一样，多进程仍然存在缺点：
数据在进程之间混洗会产生 I/O 开销
整个内存被复制到每个子进程中，这对于更重要的程序来说可能是很多开销
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