引言

對于 Python 來說，并不缺少并發選項，其標準庫中包括了對線程、進程和異步 I/O 的支持。在許多情況下，通過創建諸如異步、線程和子進程之類的高層模塊，Python 簡化了各種并發方法的使用。除了標準庫之外，還有一些第三方的解決方案，例如 Twisted、Stackless 和進程模塊。本文重點關注于使用 Python 的線程，并使用了一些實際的示例進行說明。雖然有許多很好的聯機資源詳細說明了線程 API，但本文嘗試提供一些實際的示例，以說明一些常見的線程使用模式。

全局解釋器鎖 (Global Interpretor Lock) 說明 Python 解釋器并不是線程安全的。當前線程必須持有全局鎖，以便對 Python 對象進行安全地訪問。因為只有一個線程可以獲得 Python 對象/C API，所以解釋器每經過 100 個字節碼的指令，就有規律地釋放和重新獲得鎖。解釋器對線程切換進行檢查的頻率可以通過 sys.setcheckinterval() 函數來進行控制。

此外，還將根據潛在的阻塞 I/O 操作，釋放和重新獲得鎖。有關更詳細的信息，請參見參考資料部分中的 Gil and Threading State 和 Threading the Global Interpreter Lock。

需要說明的是，因為 GIL，CPU 受限的應用程序將無法從線程的使用中受益。使用 Python 時，建議使用進程，或者混合創建進程和線程。

首先弄清進程和線程之間的區別，這一點是非常重要的。線程與進程的不同之處在于，它們共享狀態、內存和資源。對于線程來說，這個簡單的區別既是它的優勢，又是它的缺點。一方面，線程是輕量級的，并且相互之間易于通信，但另一方面，它們也帶來了包括死鎖、爭用條件和高復雜性在內的各種問題。幸運的是，由于 GIL 和隊列模塊，與采用其他的語言相比，采用 Python 語言在線程實現的復雜性上要低得多。
使用 Python 線程

要繼續學習本文中的內容，我假定您已經安裝了 Python 2.5 或者更高版本，因為本文中的許多示例都將使用 Python 語言的新特性，而這些特性僅出現于 Python2.5 之后。要開始使用 Python 語言的線程，我們將從簡單的 "Hello World" 示例開始：
hello_threads_example

            
    import threading
    import datetime
    
    class ThreadClass(threading.Thread):
     def run(self):
      now = datetime.datetime.now()
      print "%s says Hello World at time: %s" % 
      (self.getName(), now)
    
    for i in range(2):
     t = ThreadClass()
     t.start()


          

如果運行這個示例，您將得到下面的輸出：

            
   # python hello_threads.py 
   Thread-1 says Hello World at time: 2008-05-13 13:22:50.252069
   Thread-2 says Hello World at time: 2008-05-13 13:22:50.252576


          

仔細觀察輸出結果，您可以看到從兩個線程都輸出了 Hello World 語句，并都帶有日期戳。如果分析實際的代碼，那么將發現其中包含兩個導入語句；一個語句導入了日期時間模塊，另一個語句導入線程模塊。類 ThreadClass 繼承自 threading.Thread，也正因為如此，您需要定義一個 run 方法，以此執行您在該線程中要運行的代碼。在這個 run 方法中唯一要注意的是，self.getName() 是一個用于確定該線程名稱的方法。

最后三行代碼實際地調用該類，并啟動線程。如果注意的話，那么會發現實際啟動線程的是 t.start()。在設計線程模塊時考慮到了繼承，并且線程模塊實際上是建立在底層線程模塊的基礎之上的。對于大多數情況來說，從 threading.Thread 進行繼承是一種最佳實踐，因為它創建了用于線程編程的常規 API。
使用線程隊列

如前所述，當多個線程需要共享數據或者資源的時候，可能會使得線程的使用變得復雜。線程模塊提供了許多同步原語，包括信號量、條件變量、事件和鎖。當這些選項存在時，最佳實踐是轉而關注于使用隊列。相比較而言，隊列更容易處理，并且可以使得線程編程更加安全，因為它們能夠有效地傳送單個線程對資源的所有訪問，并支持更加清晰的、可讀性更強的設計模式。

在下一個示例中，您將首先創建一個以串行方式或者依次執行的程序，獲取網站的 URL，并顯示頁面的前 1024 個字節。有時使用線程可以更快地完成任務，下面就是一個典型的示例。首先，讓我們使用 urllib2 模塊以獲取這些頁面（一次獲取一個頁面），并且對代碼的運行時間進行計時：
URL 獲取序列

            
    import urllib2
    import time
    
    hosts = ["http://yahoo.com", "http://google.com", "http://amazon.com",
    "http://ibm.com", "http://apple.com"]
    
    start = time.time()
    #grabs urls of hosts and prints first 1024 bytes of page
    for host in hosts:
     url = urllib2.urlopen(host)
     print url.read(1024)
    
    print "Elapsed Time: %s" % (time.time() - start)


          

在運行以上示例時，您將在標準輸出中獲得大量的輸出結果。但最后您將得到以下內容：

            
    Elapsed Time: 2.40353488922


          

讓我們仔細分析這段代碼。您僅導入了兩個模塊。首先，urllib2 模塊減少了工作的復雜程度，并且獲取了 Web 頁面。然后，通過調用 time.time()，您創建了一個開始時間值，然后再次調用該函數，并且減去開始值以確定執行該程序花費了多長時間。最后分析一下該程序的執行速度，雖然“2.5 秒”這個結果并不算太糟，但如果您需要檢索數百個 Web 頁面，那么按照這個平均值，就需要花費大約 50 秒的時間。研究如何創建一種可以提高執行速度的線程化版本：
URL 獲取線程化

            
     #!/usr/bin/env python
     import Queue
     import threading
     import urllib2
     import time
     
     hosts = ["http://yahoo.com", "http://google.com", "http://amazon.com",
     "http://ibm.com", "http://apple.com"]
     
     queue = Queue.Queue()
     
     class ThreadUrl(threading.Thread):
     """Threaded Url Grab"""
      def __init__(self, queue):
       threading.Thread.__init__(self)
       self.queue = queue
     
      def run(self):
       while True:
        #grabs host from queue
        host = self.queue.get()
      
        #grabs urls of hosts and prints first 1024 bytes of page
        url = urllib2.urlopen(host)
        print url.read(1024)
      
        #signals to queue job is done
        self.queue.task_done()
     
     start = time.time()
     def main():
     
      #spawn a pool of threads, and pass them queue instance 
      for i in range(5):
       t = ThreadUrl(queue)
       t.setDaemon(True)
       t.start()
       
      #populate queue with data  
       for host in hosts:
        queue.put(host)
      
      #wait on the queue until everything has been processed   
      queue.join()
     
     main()
     print "Elapsed Time: %s" % (time.time() - start)


          

對于這個示例，有更多的代碼需要說明，但與第一個線程示例相比，它并沒有復雜多少，這正是因為使用了隊列模塊。在 Python 中使用線程時，這個模式是一種很常見的并且推薦使用的方式。具體工作步驟描述如下：

• ??? 創建一個 Queue.Queue() 的實例，然后使用數據對它進行填充。
• ??? 將經過填充數據的實例傳遞給線程類，后者是通過繼承 threading.Thread 的方式創建的。
• ??? 生成守護線程池。
• ??? 每次從隊列中取出一個項目，并使用該線程中的數據和 run 方法以執行相應的工作。
• ??? 在完成這項工作之后，使用 queue.task_done() 函數向任務已經完成的隊列發送一個信號。
• ??? 對隊列執行 join 操作，實際上意味著等到隊列為空，再退出主程序。

在使用這個模式時需要注意一點：通過將守護線程設置為 true，將允許主線程或者程序僅在守護線程處于活動狀態時才能夠退出。這種方式創建了一種簡單的方式以控制程序流程，因為在退出之前，您可以對隊列執行 join 操作、或者等到隊列為空。隊列模塊文檔詳細說明了實際的處理過程，請參見參考資料：

??? join()
??? 保持阻塞狀態，直到處理了隊列中的所有項目為止。在將一個項目添加到該隊列時，未完成的任務的總數就會增加。當使用者線程調用 task_done() 以表示檢索了該項目、并完成了所有的工作時，那么未完成的任務的總數就會減少。當未完成的任務的總數減少到零時，join() 就會結束阻塞狀態。

使用多個隊列

因為上面介紹的模式非常有效，所以可以通過連接附加線程池和隊列來進行擴展，這是相當簡單的。在上面的示例中，您僅僅輸出了 Web 頁面的開始部分。而下一個示例則將返回各線程獲取的完整 Web 頁面，然后將結果放置到另一個隊列中。然后，對加入到第二個隊列中的另一個線程池進行設置，然后對 Web 頁面執行相應的處理。這個示例中所進行的工作包括使用一個名為 Beautiful Soup 的第三方 Python 模塊來解析 Web 頁面。使用這個模塊，您只需要兩行代碼就可以提取所訪問的每個頁面的 title 標記，并將其打印輸出。
多隊列數據挖掘網站

            
import Queue
import threading
import urllib2
import time
from BeautifulSoup import BeautifulSoup

hosts = ["http://yahoo.com", "http://google.com", "http://amazon.com",
    "http://ibm.com", "http://apple.com"]

queue = Queue.Queue()
out_queue = Queue.Queue()

class ThreadUrl(threading.Thread):
  """Threaded Url Grab"""
  def __init__(self, queue, out_queue):
    threading.Thread.__init__(self)
    self.queue = queue
    self.out_queue = out_queue

  def run(self):
    while True:
      #grabs host from queue
      host = self.queue.get()

      #grabs urls of hosts and then grabs chunk of webpage
      url = urllib2.urlopen(host)
      chunk = url.read()

      #place chunk into out queue
      self.out_queue.put(chunk)

      #signals to queue job is done
      self.queue.task_done()

class DatamineThread(threading.Thread):
  """Threaded Url Grab"""
  def __init__(self, out_queue):
    threading.Thread.__init__(self)
    self.out_queue = out_queue

  def run(self):
    while True:
      #grabs host from queue
      chunk = self.out_queue.get()

      #parse the chunk
      soup = BeautifulSoup(chunk)
      print soup.findAll(['title'])

      #signals to queue job is done
      self.out_queue.task_done()

start = time.time()
def main():

  #spawn a pool of threads, and pass them queue instance
  for i in range(5):
    t = ThreadUrl(queue, out_queue)
    t.setDaemon(True)
    t.start()

  #populate queue with data
  for host in hosts:
    queue.put(host)

  for i in range(5):
    dt = DatamineThread(out_queue)
    dt.setDaemon(True)
    dt.start()


  #wait on the queue until everything has been processed
  queue.join()
  out_queue.join()

main()
print "Elapsed Time: %s" % (time.time() - start)


          

如果運行腳本的這個版本，您將得到下面的輸出：

            
 # python url_fetch_threaded_part2.py 

 [
            ]
 [
            ]
 [
            ]
 [
            ]
 [
            ]
 Elapsed Time: 3.75387597084


          

分析這段代碼時您可以看到，我們添加了另一個隊列實例，然后將該隊列傳遞給第一個線程池類 ThreadURL。接下來，對于另一個線程池類 DatamineThread，幾乎復制了完全相同的結構。在這個類的 run 方法中，從隊列中的各個線程獲取 Web 頁面、文本塊，然后使用 Beautiful Soup 處理這個文本塊。在這個示例中，使用 Beautiful Soup 提取每個頁面的 title 標記、并將其打印輸出。可以很容易地將這個示例推廣到一些更有價值的應用場景，因為您掌握了基本搜索引擎或者數據挖掘工具的核心內容。一種思想是使用 Beautiful Soup 從每個頁面中提取鏈接，然后按照它們進行導航。

總結

本文研究了 Python 的線程，并且說明了如何使用隊列來降低復雜性和減少細微的錯誤、并提高代碼可讀性的最佳實踐。盡管這個基本模式比較簡單，但可以通過將隊列和線程池連接在一起，以便將這個模式用于解決各種各樣的問題。在最后的部分中，您開始研究如何創建更復雜的處理管道，它可以用作未來項目的模型。參考資料部分提供了很多有關常規并發性和線程的極好的參考資料。

最后，還有很重要的一點需要指出，線程并不能解決所有的問題，對于許多情況，使用進程可能更為合適。特別是，當您僅需要創建許多子進程并對響應進行偵聽時，那么標準庫子進程模塊可能使用起來更加容易。有關更多的官方說明文檔，請參考參考資料部分。