python线程池的原理和实现

线程池

传统多线程问题?

​ 传统多线程方案会使用“即时创建, 即时销毁”的策略。尽管与创建进程相比,创建线程的时间已经大大的缩短,但是如果提交给线程的任务是执行时间较短,而且执行次数极其频繁,那么服务器将处于不停的创建线程,销毁线程的状态。

​ 一个线程的运行时间可以分为3部分:线程的启动时间、线程体的运行时间和线程的销毁时间。在多线程处理的情景中,如果线程不能被重用,就意味着每次创建都需要经过启动、销毁和运行3个过程。这必然会增加系统相应的时间,降低了效率。

有没有一种高效的解决方案呢? —— 线程池


线程池基本原理:

​ 我们把任务放进队列中去,然后开N个线程,每个线程都去队列中取一个任务,执行完了之后告诉系统说我执行完了,然后接着去队列中取下一个任务,直至队列中所有任务取空,退出线程。

使用线程池:
​ 由于线程预先被创建并放入线程池中,同时处理完当前任务之后并不销毁而是被安排处理下一个任务,因此能够避免多次创建线程,从而节省线程创建和销毁的开销,能带来更好的性能和系统稳定性。


线程池要设置为多少?

最佳线程数的获取:

1、通过用户慢慢递增来进行性能压测,观察QPS(即每秒的响应请求数,也即是最大吞吐能力。),响应时间

2、根据公式计算:服务器端最佳线程数量=((线程等待时间+线程cpu时间)/线程cpu时间) * cpu数量

3、单用户压测,查看CPU的消耗,然后直接乘以百分比,再进行压测,一般这个值的附近应该就是最佳线程数量。


线程池的实现?

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:
1.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。
2.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。
3.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。


Future对象 (主要用于获取线程任务函数的返回值)中提供了如下方法:

  • 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:

  • 1、调用 ThreadPoolExecutor 类的构造器创建一个线程池。
  • 2、定义一个普通函数作为线程任务。
  • 3、调用 ThreadPoolExecutor 对象的 submit() 方法来提交线程任务。
  • 4、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。

实现多线程池的代码一:

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()

创建一个包含两个子线程的线程池,然后通过submit 提交给线程池 线程池接收到之后 线程池就会负责启动线程来执行 上文中的action() 函数。这种启动线程的方法既优雅,又具有更高的效率。当启动线程来执行之后 遇到了print(future1.done()) 来判断当前线程池中的线程是否已经完成 没有完成则返回false 完成则返回true 在之后到了time.sleep(3) 主线程就会停下来sleep(3) 在继续同样的操作,到了future1.result() 来获取两个线程异步任务返回的结果

注意: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


那么有没有办法可以让线程不堵塞呢???

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。

代码:

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('--------------')

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。

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