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小猪的Python学习之旅 —— 11.Python并发之threading模块(2)

coder_pig • 6 年前 • 471 次点击  

一句话概括本文

本节继续把Python里threading线程模块剩下的ConditionSemaphore
EventTimerBarrier讲解完毕,文档是枯燥无味的,希望通过简单
有趣的例子,可以帮你快速掌握这几个东东的用法~

啃文档是比较乏味的,先来个小姐姐提提神吧~

别问高清原图,程序猿自己动手,丰(营)衣(养)足(跟)食(不上),
脚本自取:https://github.com/coder-pig/ReptileSomething


引言

如果你忘记了threading上一部分内容,可以移步至:
小猪的Python学习之旅 —— 7.Python并发之threading模块(1)
温故知新,官方文档依旧是:
https://docs.python.org/3/library/threading.html


1.条件变量(Condition)

上节学习了Python为我们提供的第一个用于线程同步的东东——互斥锁
又分Lock(指令锁)RLock(可重入锁),但是互斥锁只是最简单的同步机制,
Python为我们提供了Condition(条件变量),以便于处理复杂线程同步问题,
比如最经典的生产者与消费者问题。

Condition除了提供与Lock类似的acquire()release()函数外,还提供了
wait()notify()函数。用法如下:

  • 1.调用threading.Condition获得一个条件变量对象;
  • 2.线程调用acquire获得Condition对象;
  • 3.进行条件判断,不满足条件调用wait函数,满足条件,进行一些处理改变
    条件后,调用notify函数通知处于wait状态的线程,重新进行条件判断。

写个简单的生产者与消费者例子体验下:

import threading
import time

condition = threading.Condition()
products = 0  # 商品数量


# 定义生产者线程类
class Producer(threading.Thread):
    def run(self):
        global products
        while True:
            if condition.acquire():
                if products >= 99:
                    condition.wait()
                else:
                    products += 2
                    print(self.name + "生产了2个产品,当前剩余产品数为:" + str(products))
                    condition.notify()
                condition.release()
                time.sleep(2)


# 定义消费者线程类
class Consumer(threading.Thread):
    def run(self):
        global products
        while True:
            if condition.acquire():
                if products < 3:
                    condition.wait()
                else:
                    products -= 3
                    print(self.name + "消耗了3个产品,当前剩余产品数为:" + str(products))
                    condition.notify()
            condition.release()
            time.sleep(2)


if __name__ == '__main__':
    # 创建五个生产者线程
    for i in range(5):
        p = Producer()
        p.start()
    # 创建两个消费者线程
    for j in range(2):
        c = Consumer()
        c.start()

运行结果

Condition维护着一个互斥锁对象(默认是RLock),也可以自己实例化一个
在Condition实例化的时候通过构造函数传入,SO,调用的Condition的
acquire与release函数,其实调用就是这个锁对象的acquire与release函数

下面详解下除了acquire与release函数外Condition提供的相关函数吧:
(注:下述方法只有在acquire之后才能调用,不然会报RuntimeError异常)

  • wait(timeout=None):释放锁,同时线程被挂起,直到收到通知被唤醒
    或超时(如果设置了timeout),当线程被唤醒并重新占有锁时,程序才继续执行;
  • wait_for(predicate, timeout=None):等待知道条件为True,predicate应该是
    一个回调函数,返回布尔值,timeout用于指定超时时间,返回值为回调函数
    返回的布尔值,或者超时,返回False(3.2新增);
  • notify(n=1):默认唤醒一个正在的等待线程,notify并不释放锁!!!
  • notify_all():唤醒所有等待线程,进入就绪状态,等待获得锁,notify_all 同样不释放锁!!!

2.信号量(Semaphore)

信号量,也是一个很容易懂的东西,举个简单的例子:

假如厕所里有五个蹲坑,有人来开大,就会占用一个坑位,
所剩余的坑位-1,当五个坑都被人占满的时候,新来的人
就只能在外面等,直到有人出来为止。

这里的五个粪坑就是信号量蹲坑的人就是线程
初始值为5,来人-1,走人+1;超过初始值,新来的处于堵塞状态;

原理很简单,试试看下源码:

看下init方法

传入参数value,默认值为1,不能传入负数,否则抛ValueError异常;
创建了一个Condition条件变量,传入一个Lock实例;

接着看下acquire函数:

  • 先是判断,如果没有加锁然后设置了超时时间,抛出ValueError;
  • 循环,如果value == 0,没有加锁在超时时间内,跳出循环;
    否则,调用Condition变量wait函数等待通知或超时;
  • 如果value不为0,跳出循环执行else里的代码,信号量-1,rc = ture,
    代表可以调用release函数,最后返回rc;

再接着是release函数,更简单

信号量+1,然后调用Condition变量的notify唤醒一个线程~

剩下的enterexit就不用说了,重写这两个方法就能直接用with关键字了

就是那么简单,把我们蹲坑的那个例子写成代码吧:

import threading
import time
import random

s = threading.Semaphore(5)  # 粪坑


class Human(threading.Thread):
    def run(self):
        s.acquire()  # 占坑
        print("拉屎拉屎 - " + self.name + " - " + str(time.ctime()))
        time.sleep(random.randrange(1, 3))
        print("拉完走人 - " + self.name + " - " + str(time.ctime()))
        s.release()  # 走人


if __name__ == '__main__':
    for i in range(10):
        human = Human()
        human.start()

输出结果


3.通用的条件变量(Event)

Python提供的用于线程间通信的信号标志,一个线程标识了一个事件,
其他线程处于等待状态,直到事件发生后,所有线程都会被激活。

Event对象属性实现了简单的线程通信机制,提供了设置信号,清楚信号,
等待等用于实现线程间的通信。提供以下四个可供调用的方法:

  • is_set():判断内部标志是否为真
  • set():设置信号标志为真
  • clear():清除Event对象内部的信号标志(设置为false)
  • wait(timeout=None):使线程一直处于堵塞,知道标识符变为True

感觉有点蒙圈,看一波源码吧~

先是init函数

又是用到Condition条件变量,还有设置了一个_flag = False,这个就是标记吧!

is_set函数比较简单,返回_flag,

然后是set()函数

加锁,然后设置_flag为true,然后notify_all唤醒所有线程,最后释放锁,
简单,接着clear函数呢?

注释的意思是:重置内部标记为false,随后,调用wait()的线程将被堵塞,
直到调用set()将内部标记再次设置为true。也很简单,最后是wait方法:

判断标志是否为False,False的话进入堵塞状态,(⊙v⊙)嗯
源码就那么简单,感觉看完还是蒙圈不知道怎么用,写个简单的例子?
汽车过红绿灯的例子:




    
import threading
import time
import random


class CarThread(threading.Thread):
    def __init__(self, event):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.threadEvent = event

    def run(self):
        # 休眠模拟汽车先后到达路口时间
        time.sleep(random.randrange(1, 10))
        print("汽车 - " + self.name + " - 到达路口...")
        self.threadEvent.wait()
        print("汽车 - " + self.name + " - 通过路口...")


if __name__ == '__main__':
    light_event = threading.Event()

    # 假设有20台车子
    for i in range(20):
        car = CarThread(event=light_event)
        car.start()

    while threading.active_count() > 1:
        light_event.clear()
        print("红灯等待...")
        time.sleep(3)
        print("绿灯通行...")
        light_event.set()
        time.sleep(2)

输出结果


4.定时器(Timer)

与Thread类似,只是要等待一段时间后才会开始运行,单位秒,用法也很简单:

import threading
import time


def skill_ready():
    print("!!!!!!大招已经准备好了!!!!!!")


if __name__ == '__main__':
    t = threading.Timer(5, skill_ready)
    t.start()
    while threading.active_count() > 1:
        print("======大招蓄力中======")
        time.sleep(1)

输出结果


5.栅栏(Barrier)

Barrier直译栅栏,感觉不是很好理解,网上有个形象化的例子,把他比喻
成赛马用的栅栏,然后马(线程)依次来到栅栏前等待(wait),直到所有的马
都停在栅栏面前了,然后所有马开始同时出发(start)

简单点说就是,多个线程间的相互等待,调用了wait()方法的线程进入堵塞,
直到所有的线程都调用了wait()方法,然后所有线程同时进行就绪状态,
等待调度运行。

构造函数

Barrier(parties,action=None,timeout=None)

  • parties:创建一个可容纳parties条线程的栅栏;
  • action:全部线程被释放时可被其中一条线程调用的可调用对象;
  • timeout:线程调用wait()方法时没有显式设定timeout,就用的这个作为默认值;

相关函数

  • wait(timeout=None):表示线程就位,返回值是一个0到parties-1之间的整数,
    每条线程都不一样,这个值可以用作挑选一条线程做些清扫工作,另外如果你在
    构造函数里设置了action的话,其中一个线程在释放之前将会调用它。如果调用
    出错的话,会让栅栏进入broken状态,超时同样也会进入broken状态,如果栅栏
    在处于broke状态的时候调用reset函数,会抛出一个BrokenBarrierError异常。
  • reset():本方法将栅栏置为初始状态,即empty状态。所有已经在等待的线程
    都会接收到BrokenBarrierError异常,注意当有其他处于unknown状态的线程时,
    调用此方法将可能获取到额外的访问。因此如果一个栅栏进入了broken状态
    最好是放弃他并新建一个栅栏,而不是调用reset方法。
  • abort():将栅栏置为broken状态。本方法将使所有正在等待或将要调用
    wait()方法的线程收到BrokenBarrierError异常。本方法的使用情景为,比如:
    有一条线程需要abort(),又不想给其他线程造成死锁的状态,或许设定
    timeout参数要比使用本方法更可靠。
  • parites:将要使用本 barrier 的线程的数量
  • n_waiting:正在等待本 barrier 的线程的数量
  • broken:栅栏是否为broken状态,返回一个布尔值

BrokenBarrierErrorRuntimeError的子类,当栅栏被reset()或broken时引发;

(感觉都不知所云,写个简单的例子来熟悉下用法吧~)

例子公司一起去旅游

import threading
import time
import random


class Staff(threading.Thread):
    def __init__(self, barriers):
        threading.Thread.__init__(self)
        self.barriers = barriers

    def run(self):
        print("员工 【" + self.name + "】" + "出门")
        time.sleep(random.randrange(1, 10))
        print("员工 【" + self.name + "】" + "已签到")
        self.barriers.wait()


def ready():
    print(threading.current_thread().name + ":人齐,出发,出发~~~")


if __name__ == '__main__':
    print("要出去旅游啦,大家快集合~")
    b = threading.Barrier(10, action=ready, timeout=20)
    for i in range(10):
        staff = Staff(b)
        staff.start()

运行结果

PS:这里可以试下设置超时,还有修改ready方法,故意引起异常,
然后会抛出BrokenBarrierError异常。


6.小结

加了下班,终于把threading模块啃完了,不然爬小姐姐好玩,有成就感,
当然Python线程肯定不止那么简单,后面还有队列这些东西~慢慢来,不急。
下一节开始抠multiprocessing这个进程模块,又是块大骨头,敬请期待~


本节参考文献


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