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Python多线程

作为一名Python开发者，你是否遇到过这样的场景：程序需要同时处理多个任务，但单线程执行效率太低？这时候，多线程技术就能派上用场了。本文将带你深入浅出地理解Python多线程，并通过丰富的示例让你快速掌握这项实用技能。

一、什么是多线程？

想象你在厨房做饭：一边煮着汤，一边切着菜，偶尔还要看看烤箱里的蛋糕。这种同时处理多个任务的能力，就是多线程的生动体现。

在计算机中，线程是程序执行的最小单位。多线程允许一个程序同时运行多个任务，特别适合I/O密集型操作（如网络请求、文件读写等）。

二、Python多线程基础

Python通过threading模块提供多线程支持。让我们从一个简单例子开始：

import threading
import time

def say_hello(name):
    print(f"Hello, {name}!")
    time.sleep(1)
    print(f"Goodbye, {name}!")

# 创建线程
thread1 = threading.Thread(target=say_hello, args=("Alice",))
thread2 = threading.Thread(target=say_hello, args=("Bob",))

# 启动线程
thread1.start()
thread2.start()

# 等待线程结束
thread1.join()
thread2.join()

print("所有线程执行完毕！")

运行这个程序，你会看到"Alice"和"Bob"的问候语交替出现，而不是一个完全结束后才开始另一个。这就是多线程的魅力！

三、线程同步：避免资源竞争

当多个线程访问共享资源时，可能会出现问题。看这个例子：

counter = 0

def increment():
    global counter
    for _ in range(100000):
        counter += 1

threads = []
for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=increment)
    threads.append(t)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

print(f"最终计数器值: {counter}")  # 可能不是500000

你会发现结果经常小于500000。这是因为counter += 1不是原子操作。解决方法是用锁：

counter = 0
lock = threading.Lock()

def increment():
    global counter
    for _ in range(100000):
        with lock:
            counter += 1

四、线程间通信

线程之间如何交换信息？常用的方式有：

队列(Queue)：线程安全的数据结构

from queue import Queue

def producer(q):
    for i in range(5):
        q.put(i)
        print(f"生产: {i}")

def consumer(q):
    while True:
        item = q.get()
        if item is None:  # 终止信号
            break
        print(f"消费: {item}")
        q.task_done()

q = Queue()
threads = [
    threading.Thread(target=producer, args=(q,)),
    threading.Thread(target=consumer, args=(q,))
]

for t in threads:
    t.start()

threads[0].join()  # 等待生产者结束
q.put(None)  # 发送终止信号
threads[1].join()

事件(Event)：简单的线程间通知机制

event = threading.Event()

def waiter():
    print("等待事件...")
    event.wait()
    print("事件已触发！")

def setter():
    time.sleep(2)
    print("设置事件")
    event.set()

threading.Thread(target=waiter).start()
threading.Thread(target=setter).start()

五、线程池：高效管理线程

频繁创建销毁线程开销大，使用线程池更高效：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

def task(n):
    print(f"处理任务 {n}")
    time.sleep(1)
    return n * n

with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    futures = [executor.submit(task, i) for i in range(5)]
    for future in futures:
        print(f"结果: {future.result()}")

六、GIL：Python多线程的局限

Python有个著名的全局解释器锁(GIL)，它确保同一时刻只有一个线程执行Python字节码。这意味着：

多线程适合I/O密集型任务
对CPU密集型任务，多进程(multiprocessing)可能更合适

七、实战案例：多线程下载器

让我们实现一个简单的多线程下载器：

import requests
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

def download(url, filename):
    print(f"开始下载 {filename}")
    response = requests.get(url, stream=True)
    with open(filename, 'wb') as f:
        for chunk in response.iter_content(chunk_size=8192):
            if chunk:
                f.write(chunk)
    print(f"完成下载 {filename}")
    return filename

urls = [
    ("https://example.com/file1.zip", "file1.zip"),
    ("https://example.com/file2.zip", "file2.zip"),
    ("https://example.com/file3.zip", "file3.zip")
]

with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
    futures = [executor.submit(download, url, name) for url, name in urls]
    for future in futures:
        print(f"下载完成: {future.result()}")

八、总结与最佳实践

适用场景：
- I/O密集型任务（网络请求、文件操作等）
- 需要保持响应性的GUI应用
注意事项：
- 避免过度使用线程（线程也有开销）
- 注意线程安全问题（使用锁、队列等）
- 考虑使用线程池而非频繁创建线程
替代方案：
- CPU密集型任务：考虑multiprocessing
- 现代Python：asyncio协程

希望这篇教程能帮助你掌握Python多线程编程！记住，实践是最好的老师，多写代码才能真正掌握这些概念。

如果你有任何问题或想分享自己的多线程经验，欢迎在评论区留言讨论！

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