10.4 【并发编程】线程消息通信机制¶
前面我已经向大家介绍了，如何使用创建线程，启动线程。相信大家都会有这样一个想法，线程无非就是创建一下，然后再start()下，实在是太简单了。
可是要知道，在真实的项目中，实际场景可要我们举的例子要复杂的多得多，不同线程的执行可能是有顺序的，或者说他们的执行是有条件的，是要受控制的。如果仅仅依靠前面学的那点浅薄的知识，是远远不够的。
那今天，我们就来探讨一下如何控制线程的触发执行。
要实现对多个线程进行控制，其实本质上就是消息通信机制在起作用，利用这个机制发送指令，告诉线程，什么时候可以执行，什么时候不可以执行，执行什么内容。
经过我的总结，线程中通信方法大致有如下三种： - threading.Event - threading.Condition - queue.Queue
接下来我们来一一探讨下。
1. Event事件¶
Python提供了非常简单的通信机制
Threading.Event，通用的条件变量。多个线程可以等待某个事件的发生，在事件发生后，所有的线程都会被激活。
关于Event的使用也超级简单，就三个函数
event = threading.Event()
# 重置event，使得所有该event事件都处于待命状态
event.clear()
# 等待接收event的指令，决定是否阻塞程序执行
event.wait()
# 发送event指令，使所有设置该event事件的线程执行
event.set()
举个例子来看下。
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，才能往下执行
self.event.wait()
print('Thread: {} finish at {}'.format(self.name, time.ctime(time.time())))
threads = []
event = threading.Event()
# 定义五个线程
[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()
# 启动所有线程
[t.start() for t in threads]
print('等待5s...')
time.sleep(5)
print('唤醒所有线程...')
event.set()
执行一下，看看结果
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...
唤醒所有线程...
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
可见在所有线程都启动（start()）后，并不会执行完，而是都在self.event.wait()止住了，需要我们通过event.set()来给所有线程发送执行指令才能往下执行。
2. Condition¶
Condition和Event 是类似的，并没有多大区别。
同样，Condition也只需要掌握几个函数即可。
cond = threading.Condition()
# 类似lock.acquire()
cond.acquire()
# 类似lock.release()
cond.release()
# 等待指定触发，同时会释放对锁的获取,直到被notify才重新占有琐。
cond.wait()
# 发送指定，触发执行
cond.notify()
举个网上一个比较趣的捉迷藏的例子来看看
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) #确保先运行Seeker中的方法
self.cond.acquire()
print(self.name + ': 我已经把眼睛蒙上了')
self.cond.notify()
self.cond.wait()
print(self.name + ': 我找到你了哦 ~_~')
self.cond.notify()
self.cond.release()
print(self.name + ': 我赢了')
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 + ': 我已经藏好了，你快来找我吧')
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()
通过cond来通信，阻塞自己，并使对方执行。从而，达到有顺序的执行。 看下结果
hider: 我已经把眼睛蒙上了
seeker: 我已经藏好了，你快来找我吧
hider: 我找到你了 ~_~
hider: 我赢了
seeker: 被你找到了，哎~~~
3. Queue队列¶
最后一个，队列，它是本节的重点，因为它是我们日常开发中最使用频率最高的。
从一个线程向另一个线程发送数据最安全的方式可能就是使用 queue
库中的队列了。创建一个被多个线程共享的 Queue
对象，这些线程通过使用put() 和 get()
操作来向队列中发送和获取元素。
同样，对于Queue，我们也只需要掌握几个函数即可。
from queue import Queue
# maxsize默认为0，不受限
# 一旦>0，而消息数又达到限制，q.put()也将阻塞
q = Queue(maxsize=0)
# 默认阻塞程序，等待队列消息，可设置超时时间
q.get(block=True, timeout=None)
# 发送消息：默认会阻塞程序至队列中有空闲位置放入数据
q.put(item, block=True, timeout=None)
# 等待所有的消息都被消费完
q.join()
# 通知队列任务处理已经完成，当所有任务都处理完成时，join() 阻塞将会解除
q.task_done()
以下三个方法，知道就好，一般不需要使用
# 查询当前队列的消息个数
q.qsize()
# 队列消息是否都被消费完，返回 True/False
q.empty()
# 检测队列里消息是否已满
q.full()
函数会比之前的多一些，同时也从另一方面说明了其功能更加丰富。
我来举个老师点名的例子。
# coding=utf-8
# /usr/bin/env python
'''
Author: wangbm
Email: wongbingming@163.com
Wechat: mrbensonwon
Blog: python-online.cn
公众号：Python编程时光
date: 2020/9/20 下午7:30
desc:
'''
__author__ = 'wangbm'
from queue import Queue
from threading import Thread
import time
class Student:
def __init__(self, name):
self.name = name
def speak(self):
print("{}：到！".format(self.name))
class Teacher:
def __init__(self, queue):
super().__init__()
self.queue=queue
def call(self, student_name):
if student_name == "exit":
print("点名结束，开始上课..")
else:
print("老师：{}来了没？".format(student_name))
# 发送消息，要点谁的名
self.queue.put(student_name)
class CallManager(Thread):
def __init__(self, queue):
super().__init__()
self.students = {}
self.queue = queue
def put(self, student):
self.students.setdefault(student.name, student)
def run(self):
while True:
# 阻塞程序，时刻监听老师，接收消息
student_name = queue.get()
if student_name == "exit":
break
elif student_name in self.students:
self.students[student_name].speak()
else:
print("老师，咱班，没有 {} 这个人".format(student_name))
queue = Queue()
teacher = Teacher(queue=queue)
s1 = Student(name="小明")
s2 = Student(name="小亮")
cm = CallManager(queue)
cm.put(s1)
cm.put(s2)
cm.start()
print('开始点名~')
teacher.call('小明')
time.sleep(1)
teacher.call('小亮')
time.sleep(1)
teacher.call("exit")
运行结果如下
开始点名~
老师：小明来了没？
小明：到！
老师：小亮来了没？
小亮：到！
点名结束，开始上课..
其实 queue 还有一个很重要的方法，Queue.task_done()
如果不明白它的原理，我们在写程序，就很有可能卡死。
当我们使用 Queue.get() 从队列取出数据后，这个数据有没有被正常消费，是很重要的。
如果数据没有被正常消费，那么Queue会认为这个任务还在执行中，此时你使用 Queue.join() 会一直阻塞，即使此时你的队列里已经没有消息了。
那么如何解决这种一直阻塞的问题呢？
就是在我们正常消费完数据后，记得调用一下 Queue.task_done()，说明队列这个任务已经结束了。
当队列内部的任务计数器归于零时，调用 Queue.join() 就不会再阻塞了。
要理解这个过程，请参考 https://python.iswbm.com/c02/c02_06.html 里自定义线程池的的例子。
4. 消息队列的先进先出¶
消息队列可不是只有queue.Queue这一个类，除它之外，还有queue.LifoQueue和queue.PriorityQueue这两个类。
从名字上，对于他们之间的区别，你大概也能猜到一二吧。
queue.Queue：先进先出队列queue.LifoQueue：后进先出队列queue.PriorityQueue：优先级队列
先来看看，我们的老朋友，queue.Queue。
所谓的先进先出（FIFO，First in First
Out），就是先进入队列的消息，将优先被消费。
这和我们日常排队买菜是一样的，先排队的人肯定是先买到菜。
用代码来说明一下
import queue
q = queue.Queue()
for i in range(5):
q.put(i)
while not q.empty():
print q.get()
看看输出，符合我们先进先出的预期。存入队列的顺序是01234，被消费的顺序也是01234。
0
1
2
3
4
再来看看Queue.LifoQueue，后进先出，就是后进入消息队列的，将优先被消费。
这和我们羽毛球筒是一样的，最后放进羽毛球筒的球，会被第一个取出使用。
用代码来看下
import queue
q = queue.LifoQueue()
for i in range(5):
q.put(i)
while not q.empty():
print q.get()
来看看输出，符合我们后进后出的预期。存入队列的顺序是01234，被消费的顺序也是43210。
4
3
2
1
0
最后来看看Queue.PriorityQueue，优先级队列。
这和我们日常生活中的会员机制有些类似，办了金卡的人比银卡的服务优先，办了银卡的人比不办卡的人服务优先。
来用代码看一下
from queue import PriorityQueue
# 重新定义一个类，继承自PriorityQueue
class MyPriorityQueue(PriorityQueue):
def __init__(self):
PriorityQueue.__init__(self)
self.counter = 0
def put(self, item, priority):
PriorityQueue.put(self, (priority, self.counter, item))
self.counter += 1
def get(self, *args, **kwargs):
_, _, item = PriorityQueue.get(self, *args, **kwargs)
return item
queue = MyPriorityQueue()
queue.put('item2', 2)
queue.put('item5', 5)
queue.put('item3', 3)
queue.put('item4', 4)
queue.put('item1', 1)
while True:
print(queue.get())
来看看输出，符合我们的预期。我们存入入队列的顺序是25341，对应的优先级也是25341，可是被消费的顺序丝毫不受传入顺序的影响，而是根据指定的优先级来消费。
item1
item2
item3
item4
item5
5. 总结一下¶
学习了以上三种通信方法，我们很容易就能发现Event 和 Condition
是threading模块原生提供的模块，原理简单，功能单一，它能发送 True 和
False 的指令，所以只能适用于某些简单的场景中。
而Queue则是比较高级的模块，它可能发送任何类型的消息，包括字符串、字典等。其内部实现其实也引用了Condition模块（譬如put和get函数的阻塞），正是其对Condition进行了功能扩展，所以功能更加丰富，更能满足实际应用。