Python並發編程之線程消息通信機制任務協調（四）

大家好，並發編程 進入第四篇。

本文目錄

---

• 前言
• Event事件
• Condition
• Queue隊列
• 總結

. 前言

前面我已經向大家介紹了，如何使用創建線程，啟動線程。相信大家都會有這樣一個想法，線程無非就是創建一下，然后再start()下，實在是太簡單了。

可是要知道，在真實的項目中，實際場景可要我們舉的例子要復雜的多得多，不同線程的執行可能是有順序的，或者說他們的執行是有條件的，是要受控制的。如果僅僅依靠前面學的那點淺薄的知識，是遠遠不夠的。

那今天，我們就來探討一下如何控制線程的觸發執行。

要實現對多個線程進行控制，其實本質上就是消息通信機制在起作用，利用這個機制發送指令，告訴線程，什么時候可以執行，什么時候不可以執行，執行什么內容。

經過我的總結，線程中通信方法大致有如下三種：

• threading.Event
• threading.Condition
• queue.Queue

先拋出結論，接下來我們來一一探討下。

---

. Event事件

Python提供了非常簡單的通信機制 Threading.Event，通用的條件變量。多個線程可以等待某個事件的發生，在事件發生后，所有的線程都會被激活。

關於Event的使用也超級簡單，就三個函數

event = threading.Event()

# 重置event，使得所有該event事件都處於待命狀態
event.clear()

# 等待接收event的指令，決定是否阻塞程序執行
event.wait()

# 發送event指令，使所有設置該event事件的線程執行
event.set()

舉個例子來看下。

import time
import threading


class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, name, event):
        super().__init__()
        self.name = name
        self.event = event

    def run(self):
        print('Thread: {} start at {}'.format(self.name, time.ctime(time.time())))
        # 等待event.set()后，才能往下執行
        self.event.wait()
        print('Thread: {} finish at {}'.format(self.name, time.ctime(time.time())))


threads = []
event = threading.Event()

# 定義五個線程
[threads.append(MyThread(str(i), event)) for i in range(1,5)]

# 重置event，使得event.wait()起到阻塞作用
event.clear()

# 啟動所有線程
[t.start() for t in threads]

print('等待5s...')
time.sleep(5)

print('喚醒所有線程...')
event.set()

執行一下，看看結果

Thread: 1 start at Sun May 13 20:38:08 2018
Thread: 2 start at Sun May 13 20:38:08 2018
Thread: 3 start at Sun May 13 20:38:08 2018
Thread: 4 start at Sun May 13 20:38:08 2018

等待5s...

喚醒所有線程...
Thread: 1 finish at Sun May 13 20:38:13 2018
Thread: 4 finish at Sun May 13 20:38:13 2018
Thread: 2 finish at Sun May 13 20:38:13 2018
Thread: 3 finish at Sun May 13 20:38:13 2018

可見在所有線程都啟動（start()）后，並不會執行完，而是都在self.event.wait()止住了，需要我們通過event.set()來給所有線程發送執行指令才能往下執行。

. Condition

Condition和Event 是類似的，並沒有多大區別。

同樣，Condition也只需要掌握幾個函數即可。

cond = threading.Condition()

# 類似lock.acquire()
cond.acquire()

# 類似lock.release()
cond.release()

# 等待指定觸發，同時會釋放對鎖的獲取,直到被notify才重新占有瑣。
cond.wait()

# 發送指定，觸發執行
cond.notify()

舉個網上一個比較趣的捉迷藏的例子來看看

import threading, time

class Hider(threading.Thread):
    def __init__(self, cond, name):
        super(Hider, self).__init__()
        self.cond = cond
        self.name = name

    def run(self):
        time.sleep(1)  #確保先運行Seeker中的方法
        self.cond.acquire()

        print(self.name + ': 我已經把眼睛蒙上了')
        self.cond.notify()
        self.cond.wait()
        print(self.name + ': 我找到你了哦 ~_~')
        self.cond.notify() 

        self.cond.release()
        print(self.name + ': 我贏了')

class Seeker(threading.Thread):
    def __init__(self, cond, name):
        super(Seeker, self).__init__()
        self.cond = cond
        self.name = name

    def run(self):
        self.cond.acquire()
        self.cond.wait()
        print(self.name + ': 我已經藏好了，你快來找我吧')
        self.cond.notify()
        self.cond.wait()
        self.cond.release()
        print(self.name + ': 被你找到了，哎~~~')

cond = threading.Condition()
seeker = Seeker(cond, 'seeker')
hider = Hider(cond, 'hider')
seeker.start()
hider.start()

通過cond來通信，阻塞自己，並使對方執行。從而，達到有順序的執行。
看下結果

hider:   我已經把眼睛蒙上了
seeker:  我已經藏好了，你快來找我吧
hider:   我找到你了 ~_~
hider:   我贏了
seeker:  被你找到了，哎~~~

. Queue隊列

終於到了我們今天的主角了。

從一個線程向另一個線程發送數據最安全的方式可能就是使用 queue 庫中的隊列了。創建一個被多個線程共享的 Queue 對象，這些線程通過使用put() 和 get() 操作來向隊列中添加或者刪除元素。

同樣，對於Queue，我們也只需要掌握幾個函數即可。

from queue import Queue
# maxsize默認為0，不受限
# 一旦>0，而消息數又達到限制，q.put()也將阻塞
q = Queue(maxsize=0)

# 阻塞程序，等待隊列消息。
q.get()

# 獲取消息，設置超時時間
q.get(timeout=5.0)

# 發送消息
q.put()

# 等待所有的消息都被消費完
q.join()

# 以下三個方法，知道就好，代碼中不要使用

# 查詢當前隊列的消息個數
q.qsize()

# 隊列消息是否都被消費完，True/False
q.empty()

# 檢測隊列里消息是否已滿
q.full()

函數會比之前的多一些，同時也從另一方面說明了其功能更加豐富。

我來舉個老師點名的例子。

from queue import Queue
from threading import Thread
import time

class Student(Thread):
    def __init__(self, name, queue):
        super().__init__()
        self.name = name
        self.queue = queue

    def run(self):
        while True:
            # 阻塞程序，時刻監聽老師，接收消息
            msg = self.queue.get()
            # 一旦發現點到自己名字，就趕緊答到
            if msg == self.name:
                print("{}：到！".format(self.name))


class Teacher:
    def __init__(self, queue):
        self.queue=queue

    def call(self, student_name):
        print("老師：{}來了沒？".format(student_name))
        # 發送消息，要點誰的名
        self.queue.put(student_name)


queue = Queue()
teacher = Teacher(queue=queue)
s1 = Student(name="小明", queue=queue)
s2 = Student(name="小亮", queue=queue)
s1.start()
s2.start()

print('開始點名~')
teacher.call('小明')
time.sleep(1)
teacher.call('小亮')

運行結果如下

開始點名~
老師：小明來了沒？
小明：到！
老師：小亮來了沒？
小亮：到！

. 總結

學習了以上三種通信方法，我們很容易就能發現Event 和 Condition 是threading模塊原生提供的模塊，原理簡單，功能單一，它能發送 True 和 False 的指令，所以只能適用於某些簡單的場景中。

而Queue則是比較高級的模塊，它可能發送任何類型的消息，包括字符串、字典等。其內部實現其實也引用了Condition模塊（譬如put和get函數的阻塞），正是其對Condition進行了功能擴展，所以功能更加豐富，更能滿足實際應用。

---