python线程池如何使用

脚本专栏 2024/12/26 佚名

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线程池的使用

线程池的基类是 concurrent.futures 模块中的 Executor，Executor 提供了两个子类，即 ThreadPoolExecutor 和ProcessPoolExecutor，其中 ThreadPoolExecutor 用于创建线程池，而 ProcessPoolExecutor 用于创建进程池。

如果使用线程池/进程池来管理并发编程，那么只要将相应的 task 函数提交给线程池/进程池，剩下的事情就由线程池/进程池来搞定。

Exectuor 提供了如下常用方法：

submit(fn, *args, **kwargs)：将 fn 函数提交给线程池。*args 代表传给 fn 函数的参数，*kwargs 代表以关键字参数的形式为 fn 函数传入参数。
map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1)：该函数类似于全局函数 map(func, *iterables)，只是该函数将会启动多个线程，以异步方式立即对 iterables 执行 map 处理。
shutdown(wait=True)：关闭线程池。

程序将 task 函数提交（submit）给线程池后，submit 方法会返回一个 Future 对象，Future 类主要用于获取线程任务函数的返回值。由于线程任务会在新线程中以异步方式执行，因此，线程执行的函数相当于一个“将来完成”的任务，所以 Python 使用 Future 来代表。

实际上，在 Java 的多线程编程中同样有 Future，此处的 Future 与 Java 的 Future 大同小异。

Future 提供了如下方法：

cancel()：取消该 Future 代表的线程任务。如果该任务正在执行，不可取消，则该方法返回 False；否则，程序会取消该任务，并返回 True。
cancelled()：返回 Future 代表的线程任务是否被成功取消。
running()：如果该 Future 代表的线程任务正在执行、不可被取消，该方法返回 True。
done()：如果该 Funture 代表的线程任务被成功取消或执行完成，则该方法返回 True。
result(timeout=None)：获取该 Future 代表的线程任务最后返回的结果。如果 Future 代表的线程任务还未完成，该方法将会阻塞当前线程，其中 timeout 参数指定最多阻塞多少秒。
exception(timeout=None)：获取该 Future 代表的线程任务所引发的异常。如果该任务成功完成，没有异常，则该方法返回 None。
add_done_callback(fn)：为该 Future 代表的线程任务注册一个“回调函数”，当该任务成功完成时，程序会自动触发该 fn 函数。

在用完一个线程池后，应该调用该线程池的 shutdown() 方法，该方法将启动线程池的关闭序列。调用 shutdown() 方法后的线程池不再接收新任务，但会将以前所有的已提交任务执行完成。当线程池中的所有任务都执行完成后，该线程池中的所有线程都会死亡。

使用线程池来执行线程任务的步骤如下：

a、调用 ThreadPoolExecutor 类的构造器创建一个线程池。

b、定义一个普通函数作为线程任务。

c、调用 ThreadPoolExecutor 对象的 submit() 方法来提交线程任务。

d、当不想提交任何任务时，调用 ThreadPoolExecutor 对象的 shutdown() 方法来关闭线程池。

下面程序示范了如何使用线程池来执行线程任务：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import threading
import time
# 定义一个准备作为线程任务的函数
def action(max):
  my_sum = 0
  for i in range(max):
    print(threading.current_thread().name + ' ' + str(i))
    my_sum += i
  return my_sum
# 创建一个包含2条线程的线程池
pool = ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
# 向线程池提交一个task, 50会作为action()函数的参数
future1 = pool.submit(action, 50)
# 向线程池再提交一个task, 100会作为action()函数的参数
future2 = pool.submit(action, 100)
# 判断future1代表的任务是否结束
print(future1.done())
time.sleep(3)
# 判断future2代表的任务是否结束
print(future2.done())
# 查看future1代表的任务返回的结果
print(future1.result())
# 查看future2代表的任务返回的结果
print(future2.result())
# 关闭线程池
pool.shutdown()

上面程序中，第 13 行代码创建了一个包含两个线程的线程池，接下来的两行代码只要将 action() 函数提交（submit）给线程池，该线程池就会负责启动线程来执行 action() 函数。这种启动线程的方法既优雅，又具有更高的效率。

当程序把 action() 函数提交给线程池时，submit() 方法会返回该任务所对应的 Future 对象，程序立即判断 futurel 的 done() 方法，该方法将会返回 False（表明此时该任务还未完成）。接下来主程序暂停 3 秒，然后判断 future2 的 done() 方法，如果此时该任务已经完成，那么该方法将会返回 True。

程序最后通过 Future 的 result() 方法来获取两个异步任务返回的结果。

读者可以自己运行此代码查看运行结果，这里不再演示。

当程序使用 Future 的 result() 方法来获取结果时，该方法会阻塞当前线程，如果没有指定 timeout 参数，当前线程将一直处于阻塞状态，直到 Future 代表的任务返回。

获取执行结果

前面程序调用了 Future 的 result() 方法来获取线程任务的运回值，但该方法会阻塞当前主线程，只有等到钱程任务完成后，result() 方法的阻塞才会被解除。

如果程序不希望直接调用 result() 方法阻塞线程，则可通过 Future 的 add_done_callback() 方法来添加回调函数，该回调函数形如 fn(future)。当线程任务完成后，程序会自动触发该回调函数，并将对应的 Future 对象作为参数传给该回调函数。

下面程序使用 add_done_callback() 方法来获取线程任务的返回值：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import threading
import time
# 定义一个准备作为线程任务的函数
def action(max):
  my_sum = 0
  for i in range(max):
    print(threading.current_thread().name + ' ' + str(i))
    my_sum += i
  return my_sum
# 创建一个包含2条线程的线程池
with ThreadPoolExecutor(max_workers=2) as pool:
  # 向线程池提交一个task, 50会作为action()函数的参数
  future1 = pool.submit(action, 50)
  # 向线程池再提交一个task, 100会作为action()函数的参数
  future2 = pool.submit(action, 100)
  def get_result(future):
    print(future.result())
  # 为future1添加线程完成的回调函数
  future1.add_done_callback(get_result)
  # 为future2添加线程完成的回调函数
  future2.add_done_callback(get_result)
  print('--------------')

上面主程序分别为 future1、future2 添加了同一个回调函数，该回调函数会在线程任务结束时获取其返回值。

主程序的最后一行代码打印了一条横线。由于程序并未直接调用 future1、future2 的 result() 方法，因此主线程不会被阻塞，可以立即看到输出主线程打印出的横线。接下来将会看到两个新线程并发执行，当线程任务执行完成后，get_result() 函数被触发，输出线程任务的返回值。

另外，由于线程池实现了上下文管理协议（Context Manage Protocol），因此，程序可以使用 with 语句来管理线程池，这样即可避免手动关闭线程池，如上面的程序所示。

此外，Exectuor 还提供了一个 map(func, *iterables, timeout=None, chunksize=1) 方法，该方法的功能类似于全局函数 map()，区别在于线程池的 map() 方法会为 iterables 的每个元素启动一个线程，以并发方式来执行 func 函数。这种方式相当于启动 len(iterables) 个线程，井收集每个线程的执行结果。

例如，如下程序使用 Executor 的 map() 方法来启动线程，并收集线程任务的返回值：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import threading
import time
# 定义一个准备作为线程任务的函数
def action(max):
  my_sum = 0
  for i in range(max):
    print(threading.current_thread().name + ' ' + str(i))
    my_sum += i
  return my_sum
# 创建一个包含4条线程的线程池
with ThreadPoolExecutor(max_workers=4) as pool:
  # 使用线程执行map计算
  # 后面元组有3个元素，因此程序启动3条线程来执行action函数
  results = pool.map(action, (50, 100, 150))
  print('--------------')
  for r in results:
print(r)

上面程序使用 map() 方法来启动 3 个线程（该程序的线程池包含 4 个线程，如果继续使用只包含两个线程的线程池，此时将有一个任务处于等待状态，必须等其中一个任务完成，线程空闲出来才会获得执行的机会），map() 方法的返回值将会收集每个线程任务的返回结果。

运行上面程序，同样可以看到 3 个线程并发执行的结果，最后通过 results 可以看到 3 个线程任务的返回结果。

通过上面程序可以看出，使用 map() 方法来启动线程，并收集线程的执行结果，不仅具有代码简单的优点，而且虽然程序会以并发方式来执行 action() 函数，但最后收集的 action() 函数的执行结果，依然与传入参数的结果保持一致。也就是说，上面 results 的第一个元素是 action(50) 的结果，第二个元素是 action(100) 的结果，第三个元素是 action(150) 的结果。

实例扩展：

# coding:utf-8
  
import Queue
import threading
import sys
import time
import math
  
  
class WorkThread(threading.Thread):
  
  def __init__(self, task_queue):
    threading.Thread.__init__(self)
    self.setDaemon(True)
    self.task_queue = task_queue
    self.start()
    self.idle = True
  
  def run(self):
    sleep_time = 0.01 # 第1次无任务可做时休息10毫秒
    multiply = 0
    while True:
      try:
        # 从队列中取一个任务
        func, args, kwargs = self.task_queue.get(block=False)
        self.idle = False
        multiply = 0
        # 执行之
        func(*args, **kwargs)
      except Queue.Empty:
        time.sleep(sleep_time * math.pow(2, multiply))
        self.idle = True
        multiply += 1
        continue
      except:
        print sys.exc_info()
        raise
  
  
class ThreadPool:
  
  def __init__(self, thread_num=10, max_queue_len=1000):
    self.max_queue_len = max_queue_len
    self.task_queue = Queue.Queue(max_queue_len) # 任务等待队列
    self.threads = []
    self.__create_pool(thread_num)
  
  def __create_pool(self, thread_num):
    for i in xrange(thread_num):
      thread = WorkThread(self.task_queue)
      self.threads.append(thread)
  
  def add_task(self, func, *args, **kwargs):
    '''添加一个任务，返回任务等待队列的长度
      调用该方法前最后先调用isSafe()判断一下等待的任务是不是很多，以防止提交的任务被拒绝
    '''
    try:
      self.task_queue.put((func, args, kwargs))
    except Queue.Full:
      raise # 队列已满时直接抛出异常，不给执行
    return self.task_queue.qsize()
  
  def isSafe(self):
    '''等待的任务数量离警界线还比较远
    '''
    return self.task_queue.qsize() < 0.9 * self.max_queue_len
  
  def wait_for_complete(self):
    '''等待提交到线程池的所有任务都执行完毕
    '''
    #首先任务等待队列要变成空
    while not self.task_queue.empty():
      time.sleep(1)
    # 其次，所以计算线程要变成idle状态
    while True:
      all_idle = True
      for th in self.threads:
        if not th.idle:
          all_idle = False
          break
      if all_idle:
        break
      else:
        time.sleep(1)
  
  
if __name__ == '__main__':
  def foo(a, b):
    print a + b
    time.sleep(0.01)
  thread_pool = ThreadPool(10, 100)
  '''在Windows上测试不通过，Windows上Queue.Queue不是线程安全的'''
  size = 0
  for i in xrange(10000):
    try:
      size = thread_pool.add_task(foo, i, 2 * i)
    except Queue.Full:
      print 'queue full, queue size is ', size
  time.sleep(2)

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