用Python創建並管理線程的完整指南

介紹

現代編程需要對多任務處理有一個更好的理解，因為處理器的核心數已經增加，多線程編程已經成為一種常見而重要的技能。Python提供了非常優秀的線程支持，使開發者可以輕鬆地創建並管理線程。

什麼是線程

在開始討論如何使用Python線程之前，我們需要了解線程的概念。線程是操作系統中最基本的調度單位。每個進程都有自己的地址空間、數據棧和資源。一個線程可以在進程的地址空間和資源上運行，但並不獨立於其他線程。線程是一個輕量級進程，它共享進程內存以及其他資源，因此創建和銷毀線程要比創建和銷毀進程要快得多。

Python中的線程

在Python中，線程可以通過 threading 模塊來實現。Python中的線程是操作系統級別的線程，這意味著線程由操作系統調度，而不是Python虛擬機調度。線程是具有相同優先順序的單元，操作系統根據一定的演算法調度線程。在Python中，要啟動一個線程，需要創建一個Thread對象，並為其傳遞一個函數，該函數是線程要執行的代碼。下面是一個簡單的例子。

import threading
import time

def run():
    print('線程開始執行')
    time.sleep(5)
    print('線程執行完畢')

def main():
    thread = threading.Thread(target=run)
    thread.start()
    print('主線程執行')

if __name__ == '__main__':
    main()

上面的代碼中，我們定義了一個函數 run，該函數是線程執行的入口。我們使用 threading.Thread 創建了一個線程對象，並將 run 函數作為參數傳遞給該對象。最後，我們調用 start() 方法啟動線程。主線程在啟動線程之後繼續執行，並輸出了 “主線程執行” 字元串。當線程開始執行時，我們使用 time.sleep(5) 方法使其休眠 5 秒。當線程重新運行時，我們輸出 “線程執行完畢” 字元串。

線程鎖和條件變數

在 Python 中，線程鎖和條件變數提供了一種同步機制，用於管理線程在共享資源上的訪問。線程鎖用於確保在同一時刻只有一個線程可以訪問共享資源。條件變數允許一個或多個線程等待特定條件的發生。

下面是一個例子演示如何使用鎖來鎖定共享的訪問。

import threading

class Counter:
    def __init__(self):
        self.lock = threading.Lock()
        self.count = 0

    def increment(self):
        with self.lock:
            self.count += 1
            print("Count is %d" % self.count)

def worker(counter_obj):
    for i in range(5):
        counter_obj.increment()

if __name__ == '__main__':
    counter = Counter()
    threads = []
    for i in range(5):
        threads.append(threading.Thread(target=worker, args=(counter,)))
    for thread in threads:
        thread.start()
    for thread in threads:
        thread.join()

在上面的代碼中，我們定義了一個 Counter 類，該類具有一個鎖屬性和一個計數屬性。increment 方法使用 with 語句創建一個鎖，並在共享的資源上增加計數器。我們創建了 5 個線程，每個線程都是一個 worker 函數，該函數接受一個 Counter 對象。每個線程調用增加計數器的方法 5 次。main() 函數等待所有線程完成。

線程同步器

Python提供了豐富的線程同步器，可以讓開發人員輕鬆實現線程安全操作。線程同步器是同步機制的高級抽象，包括互斥鎖、事件、信號量、條件變數和讀寫鎖等。在Python中，我們可以使用 threading 模塊中的各種同步器。

下面是一個例子，演示如何使用事件進行線程同步:

import threading

event = threading.Event()

def wait():
    print("wait for event...")
    event.wait()
    print("event set, continue")

def main():
    print("start waiting...")
    t1 = threading.Thread(target=wait)
    t1.start()

    t2 = threading.Thread(target=wait)
    t2.start()

    print("wait some time...")
    event.set()

if __name__ == '__main__':
    main()

在這個例子中，我們使用 threading.Event 創建一個事件對象，該對象用於創建信號，以允許線程等待某些事件的發生。wait 函數將通過 event.wait() 等待事件的發生，而主函數 main() 將在一段時間後設置事件狀態。

結論

本文介紹了如何使用 Python 管理線程，包括創建、同步和協調線程等。Python提供了豐富的工具和模塊，可以方便我們編寫多線程應用程序。