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Python 零基础100天—Day36 多线程

  • 2026-10-11 07:27:20
Python 零基础100天—Day36 多线程

🐍 多线程 — 并发执行的入门

🕐 预计用时:2-3 小时 | 🎯 目标:掌握 threading 模块、Thread 类、Lock、GIL 概念


📖 今日目录

  1. 什么是并发?为什么需要多线程?
  2. threading 模块基础
  3. Thread 类 — 创建线程
  4. 线程参数与守护线程
  5. 线程同步 — Lock 互斥锁
  6. RLock — 可重入锁
  7. Condition — 线程通信
  8. 线程池 ThreadPoolExecutor
  9. GIL — 全局解释器锁
  10. 实战:多线程下载器
  11. 今日小结

1. 什么是并发?为什么需要多线程?

并发(Concurrency)就是同时做多件事。Python 提供三种并发方式:

方式
适用场景
特点
多线程 (threading)
I/O 密集型(网络请求、文件读写)
共享内存,受 GIL 限制
多进程 (multiprocessing)
CPU 密集型(计算、图片处理)
独立内存,真正并行
异步 (asyncio)
大量 I/O 并发(Web 服务器)
单线程,协程切换
# 单线程:一个一个做
import time

def download(name, seconds):
    print(f"⬇️ 开始下载 {name}...")
    time.sleep(seconds)  # 模拟下载耗时
    print(f"✅ {name} 下载完成")
    return name

start = time.time()
download("文件A", 2)
download("文件B", 2)
download("文件C", 2)
print(f"总耗时: {time.time() - start:.1f}秒")
# 总耗时: 6.0秒(串行,一个接一个)
# 多线程:同时做
import threading
import time

def download(name, seconds):
    print(f"⬇️ 开始下载 {name}...")
    time.sleep(seconds)
    print(f"✅ {name} 下载完成")

start = time.time()

# 创建 3 个线程
t1 = threading.Thread(target=download, args=("文件A", 2))
t2 = threading.Thread(target=download, args=("文件B", 2))
t3 = threading.Thread(target=download, args=("文件C", 2))

# 启动线程
t1.start()
t2.start()
t3.start()

# 等待所有线程完成
t1.join()
t2.join()
t3.join()

print(f"总耗时: {time.time() - start:.1f}秒")
# 总耗时: 2.0秒(并行,同时下载!)

2. threading 模块基础

import threading

# 查看当前线程
print(threading.current_thread().name)  # MainThread

# 查看活跃线程数量
print(threading.active_count())  # 1(只有主线程)

# 列出所有线程
for t in threading.enumerate():
    print(f"  {t.name} (daemon={t.daemon})")

两种创建线程的方式

import threading

# 方式1: 传入 target 函数
def worker():
    print(f"Worker 线程: {threading.current_thread().name}")

t = threading.Thread(target=worker)
t.start()
t.join()

# 方式2: 继承 Thread 类(重写 run 方法)
class MyThread(threading.Thread):
    def __init__(self, name, delay):
        super().__init__(name=name)
        self.delay = delay

    def run(self):
        """线程执行的内容"""
        print(f"{self.name} 开始")
        import time
        time.sleep(self.delay)
        print(f"{self.name} 结束")

t = MyThread("自定义线程", 1)
t.start()
t.join()

3. Thread 类 — 创建线程

import threading
import time

class DownloadThread(threading.Thread):
    def __init__(self, url, filename):
        super().__init__()
        self.url = url
        self.filename = filename
        self.result = None

    def run(self):
        print(f"⬇️ {self.filename} 开始下载 from {self.url}")
        time.sleep(2)  # 模拟下载
        self.result = f"{self.filename} 已保存"
        print(f"✅ {self.filename} 下载完成")

# 创建并启动
threads = []
urls = [
    ("https://example.com/a.jpg", "a.jpg"),
    ("https://example.com/b.jpg", "b.jpg"),
    ("https://example.com/c.jpg", "c.jpg"),
]

start = time.time()
for url, filename in urls:
    t = DownloadThread(url, filename)
    t.start()
    threads.append(t)

# 等待所有完成
for t in threads:
    t.join()
    print(f"  结果: {t.result}")

print(f"总耗时: {time.time() - start:.1f}秒")

4. 线程参数与守护线程

线程参数

import threading

def worker(name, delay):
    print(f"{name} 开始")
    import time
    time.sleep(delay)
    print(f"{name} 结束")

# args: 位置参数
t1 = threading.Thread(target=worker, args=("线程A", 1))

# kwargs: 关键字参数
t2 = threading.Thread(target=worker, kwargs={"name": "线程B", "delay": 2})

# name: 线程名称
t3 = threading.Thread(target=worker, args=("线程C", 1), name="MyThread")

守护线程(Daemon Thread)

import threading
import time

def background_task():
    """后台守护任务"""
    while True:
        print("💓 心跳检测...")
        time.sleep(1)

# 设置为守护线程
daemon = threading.Thread(target=background_task, daemon=True)
daemon.start()

# 主线程执行 3 秒后结束
time.sleep(3)
print("主线程结束")
# 守护线程会随主线程一起终止

⚠️ 守护线程 vs 非守护线程:
• 非守护线程(默认):主线程会等它结束
• 守护线程(daemon=True):主线程结束时自动终止
• 适合做后台任务:心跳检测、日志刷新、定时清理


5. 线程同步 — Lock 互斥锁

多个线程同时修改共享数据会出问题——需要锁来保护。

import threading

# ❌ 不加锁的问题:竞态条件(Race Condition)
counter = 0

def increment_no_lock(n):
    global counter
    for _ in range(n):
        counter += 1  # 这不是原子操作!

threads = []
for _ in range(10):
    t = threading.Thread(target=increment_no_lock, args=(100000,))
    t.start()
    threads.append(t)

for t in threads:
    t.join()

print(f"期望: 1000000, 实际: {counter}")
# 期望: 1000000, 实际: 938274(每次不同!数据丢失!)
import threading

# ✅ 加锁:保证数据安全
counter = 0
lock = threading.Lock()

def increment_with_lock(n):
    global counter
    for _ in range(n):
        lock.acquire()  # 获取锁
        try:
            counter += 1
        finally:
            lock.release()  # 释放锁

# 更优雅的写法:用 with 语句
def increment_with_lock_v2(n):
    global counter
    for _ in range(n):
        with lock:  # 自动获取和释放锁
            counter += 1

threads = []
for _ in range(10):
    t = threading.Thread(target=increment_with_lock_v2, args=(100000,))
    t.start()
    threads.append(t)

for t in threads:
    t.join()

print(f"期望: 1000000, 实际: {counter}")
# 期望: 1000000, 实际: 1000000 ✅

💡 Lock 使用模式:
with lock: 比 lock.acquire() / lock.release() 更安全——即使中间出异常也会释放锁。


6. RLock — 可重入锁

import threading

# ❌ 普通 Lock 的死锁问题
lock = threading.Lock()

def outer():
    with lock:
        print("outer 获取锁")
        inner()  # 再次获取锁 → 死锁!

def inner():
    with lock:  # 已经被 outer 持有,永远拿不到
        print("inner 获取锁")

# outer()  # 死锁!程序卡住

# ✅ 用 RLock 解决(可重入锁)
rlock = threading.RLock()

def outer():
    with rlock:
        print("outer 获取锁")
        inner()  # 同一个线程可以再次获取

def inner():
    with rlock:
        print("inner 获取锁")

outer()  # 正常运行!

⚠️ Lock vs RLock:
• Lock:只能获取一次,再次获取会死锁
• RLock:同一线程可以多次获取(计数+1),需要释放同样次数
• 简单场景用 Lock,函数可能递归调用时用 RLock


7. Condition — 线程通信

import threading
import time
import random

# 生产者-消费者模型
buffer = []
MAX_SIZE = 5
condition = threading.Condition()

def producer(name):
    for i in range(5):
        with condition:
            while len(buffer) >= MAX_SIZE:
                print(f"📦 {name}: 缓冲区满,等待...")
                condition.wait()  # 等待消费者通知

            item = f"{name}-产品{i}"
            buffer.append(item)
            print(f"📦 {name}: 生产 {item} | 缓冲区: {len(buffer)}")
            condition.notify_all()  # 通知消费者

        time.sleep(random.uniform(0.1, 0.3))

def consumer(name):
    for _ in range(5):
        with condition:
            while len(buffer) == 0:
                print(f"🛒 {name}: 缓冲区空,等待...")
                condition.wait()  # 等待生产者通知

            item = buffer.pop(0)
            print(f"🛒 {name}: 消费 {item} | 缓冲区: {len(buffer)}")
            condition.notify_all()  # 通知生产者

        time.sleep(random.uniform(0.1, 0.3))

# 启动
t1 = threading.Thread(target=producer, args=("生产者A",))
t2 = threading.Thread(target=producer, args=("生产者B",))
t3 = threading.Thread(target=consumer, args=("消费者X",))

t1.start(); t2.start(); t3.start()
t1.join(); t2.join(); t3.join()

8. 线程池 ThreadPoolExecutor

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, as_completed
import time

def download(url):
    """模拟下载"""
    time.sleep(1)  # 模拟耗时
    return f"{url} 下载完成"

urls = [f"https://example.com/file{i}.jpg" for i in range(10)]

# 方式1: submit + as_completed
start = time.time()
with ThreadPoolExecutor(max_workers=4) as executor:
    futures = {executor.submit(download, url): url for url in urls}

    for future in as_completed(futures):
        url = futures[future]
        result = future.result()
        print(f"✅ {result}")

print(f"耗时: {time.time() - start:.1f}秒")
# 10个任务,4个线程,约 3 秒(而不是 10 秒)
# 方式2: map(保持顺序)
with ThreadPoolExecutor(max_workers=4) as executor:
    results = executor.map(download, urls)
    for result in results:
        print(f"  {result}")

# 方式3: 带回调
def on_complete(future):
    print(f"🔔 完成: {future.result()}")

with ThreadPoolExecutor(max_workers=4) as executor:
    for url in urls:
        future = executor.submit(download, url)
        future.add_done_callback(on_complete)

💡 ThreadPoolExecutor 优势:
1. 自动管理线程生命周期
2. 限制最大线程数(防止资源耗尽)
3. 支持回调、异常处理
4. 比手动创建 Thread 更推荐


9. GIL — 全局解释器锁

GIL(Global Interpreter Lock)是 CPython 的一个互斥锁,同一时刻只允许一个线程执行 Python 字节码。

# GIL 的影响:CPU 密集型任务多线程反而更慢!
import threading
import time

def cpu_work(n):
    """CPU 密集型计算"""
    total = 0
    for i in range(n):
        total += i * i
    return total

# 单线程
start = time.time()
cpu_work(10_000_000)
cpu_work(10_000_000)
print(f"单线程: {time.time() - start:.2f}秒")

# 多线程
start = time.time()
t1 = threading.Thread(target=cpu_work, args=(10_000_000,))
t2 = threading.Thread(target=cpu_work, args=(10_000_000,))
t1.start(); t2.start()
t1.join(); t2.join()
print(f"多线程: {time.time() - start:.2f}秒")

# 单线程: 1.20秒
# 多线程: 1.35秒(反而更慢!因为线程切换有开销)

⚠️ GIL 的结论:
• I/O 密集型(网络、文件)→ 多线程有效 ✅
• CPU 密集型(计算)→ 用多进程(Day37)✅
• GIL 只影响 CPython,PyPy/Jython 没有这个问题


10. 实战:多线程下载器

import threading
import time
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, as_completed
from urllib.parse import urlparse
import os

class MultiDownloader:
    """多线程文件下载器"""

    def __init__(self, max_workers=4):
        self.max_workers = max_workers
        self.results = []
        self.lock = threading.Lock()

    def download(self, url, save_dir="/tmp"):
        """下载单个文件"""
        filename = os.path.basename(urlparse(url).path) or "index.html"
        save_path = os.path.join(save_dir, filename)

        # 模拟下载(实际用 requests.get)
        time.sleep(1)
        size = 1024 * 10  # 模拟 10KB

        with self.lock:
            self.results.append({
                "url": url,
                "filename": filename,
                "size": size,
                "status": "success"
            })

        return f"✅ {filename} ({size}B)"

    def batch_download(self, urls):
        """批量下载"""
        print(f"🚀 开始下载 {len(urls)} 个文件({self.max_workers} 线程)")
        start = time.time()

        with ThreadPoolExecutor(max_workers=self.max_workers) as executor:
            futures = {executor.submit(self.download, url): url for url in urls}

            for future in as_completed(futures):
                try:
                    result = future.result()
                    print(f"  {result}")
                except Exception as e:
                    url = futures[future]
                    print(f"  ❌ {url}: {e}")

        elapsed = time.time() - start
        print(f"\n📊 完成: {len(self.results)}/{len(urls)} | 耗时: {elapsed:.1f}秒")
        return self.results

# 使用
downloader = MultiDownloader(max_workers=4)
urls = [f"https://example.com/files/document_{i}.pdf" for i in range(10)]
downloader.batch_download(urls)

11. 今日小结

概念
说明
关键代码
创建线程
Thread 类
Thread(target=func)
启动线程
start()
t.start()
等待完成
join()
t.join()
互斥锁
Lock
with lock:
可重入锁
RLock
同一线程可多次获取
线程通信
Condition
wait()
 / notify()
线程池
ThreadPoolExecutor
executor.submit(func)
守护线程
daemon=True
主线程结束自动终止

🎯 练习建议:
1. 用线程池并发请求 10 个网页,统计响应时间
2. 实现一个线程安全的队列(生产者-消费者)
3. 对比单线程和多线程下载同一组文件的速度差异


📚 Day36 完成!明天学习多进程 — 真正的并行计算

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