Язык программирования Python

Сузи Роман Арвиевич

Потоки управления (threads) образуются и работают в рамках одного процесса. В однопоточном приложении (программе, которая не использует дополнительных потоков) имеется только один поток управления. Говоря упрощенно, при запуске программы этот поток последовательно исполняет встречаемые в программе операторы, направляясь по одной из альтернативных ветвей оператора выбора, проходит через тело цикла нужное число раз, выбирается к месту обработки исключения при возбуждении исключения. В любой момент времени интерпретатор Python знает, какую команду исполнить следующей. После исполнения

команды становится известно, какой команде передать управление. Эта ниточка непрерывна в ходе выполнения программы и обрывается только по ее завершении.

Теперь можно представить себе, что в некоторой точке программы ниточка раздваивается, и каждый поток идет своим путем. Каждый из образовавшихся потоков может в дальнейшем еще несколько раз раздваиваться. (При этом один из потоков всегда остается главным, и его завершение означает завершение всей программы.) В каждый момент времени интерпретатор знает, какую команду какой поток должен выполнить, и уделяет кванты времени каждому потоку. Такое, казалось бы, незначительное усложнение механизма выполнения программы на самом деле требует качественных изменений в программе — ведь деятельность потоков должна быть согласована. Нельзя допускать, чтобы потоки одновременно изменяли один и тот же объект, результат такого изменения, скорее всего, нарушит целостность объекта.

Одним из классических средств согласования потоков являются объекты, называемые семафорами. Семафоры не допускают выполнения некоторого участка кода несколькими потоками одновременно. Самый простой семафор — замок (lock) или mutex (от английского mutually exclusive, взаимоисключающий). Для того чтобы поток мог продолжить выполнение кода, он должен сначала захватить замок. После захвата замка поток выполняет определенный участок кода и потом освобождает замок, чтобы другой поток мог его получить и пройти дальше к выполнению охраняемого замком участку программы. Поток, столкнувшись с занятым другим потоком замком, обычно ждет его освобождения.

Поддержка многопоточности в языке Python доступна через использование ряда модулей. В стандартном модуле threading определены нужные для разработки многопоточной (multithreading) программы классы: несколько видов семафоров (классы замков Lock, RLock и класс Semaphore) и другие механизмы взаимодействия между потоками (классы Event и Condition), класс Timer для запуска функции по прошествии некоторого времени. Модуль Queue реализует очередь, которой могут пользоваться сразу несколько потоков. Для создания и (низкоуровневого) управления потоками в стандартном модуле thread определен класс Thread.

Пример многопоточной программы

В следующем примере создается два дополнительных потока, которые выводят на стандартный вывод каждый свое:

Листинг

import threading

def proc(n):

print «Процесс», n

p1 = threading.Thread(target=proc, name=«t1», args=[«1»])

p2 = threading.Thread(target=proc, name=«t2», args=[«2»])

p1.start

p2.start

Сначала получается два объекта класса Thread, которые затем и запускаются с различными

аргументами. В данном случае в потоках работает одна и та же функция proc, которой передается один аргумент, заданный в именованном параметре args конструктора класса Thread. Нетрудно догадаться, что метод start служит для запуска нового потока. Таким образом, в приведенном примере работают три потока: основной и два дополнительных (с именами «t1» и «t2»).

Функции модуля threading

В модуле threading, который здесь используется, есть функции, позволяющие получить информацию о потоках:

activeCount Возвращает количество активных в настоящий момент экземпляров класса Thread. Фактически, это len(threading.enumerate).

currentThread Возвращает текущий объект–поток, то есть соответствующий потоку управления, который вызвал эту функцию. Если поток не был создан через модуль threading, будет возвращен объект–поток с сокращенной функциональностью (dummy thread object).

enumerate Возвращает список активных потоков. Завершившиеся и еще не начатые потоки не входят в список.

Класс Thread

Экземпляры класса threading.Thread представляют потоки Python–программы. Задать действия, которые будут выполняться в потоке, можно двумя способами: передать конструктору класса исполняемый объект и аргументы к нему или путем наследования получить новый класс с переопределенным методом run. Первый способ был рассмотрен в примере выше. Конструктор класса threading.Thread имеет следующие аргументы:

Листинг

Thread(group, target, name, args, kwargs)

Здесь group — группа потоков (пока что не используется, должен быть равен None), target — объект, который будет вызван в методе run, name — имя потока, args и kwargs — последовательность и словарь позиционных и именованных параметров (соответственно) для вызова заданного в параметре target объекта. В примере выше были использованы только позиционные параметры, но то же самое можно было выполнить и с применением именованных параметров:

Листинг

import threading

def proc(n):

print «Процесс», n

p1 = threading.Thread(target=proc, name=«t1», kwargs={«n»: «1»})

p2 = threading.Thread(target=proc, name=«t2», kwargs={«n»: «2»})

p1.start

p2.start

То же самое можно проделать через наследование от класса threading.Thread с определением собственного конструктора и метода run:

Листинг

import threading

class T(threading.Thread):

def __init__(self, n):

threading.Thread.__init__(self, name=«t» + n)

self.n = n

def run(self):

print «Процесс», self.n

p1 = T(«1»)

p2 = T(«2»)

p1.start

p2.start

Самое первое, что необходимо сделать в конструкторе — вызвать конструктор базового класса. Как и раньше, для запуска потока нужно выполнить метод start объекта–потока, что приведет к выполнению действий в методе run.

Жизнью потоков можно управлять вызовом методов: