Обмен данными между потоками питон

How to Share Variables Between Threads in Python

You can protect data variables shared between threads using a threading.Lock mutex lock, and you can share data between threads explicitly using queue.Queue.

In this tutorial you will discover how to share data between threads safely.

Need to Share Data Between Threads

A thread is a thread of execution in a computer program.

Every Python program has at least one thread of execution called the main thread. Both processes and threads are created and managed by the underlying operating system.

Sometimes we may need to create additional threads in our program in order to execute code concurrently.

Python provides the ability to create and manage new threads via the threading module and the threading.Thread class.

You can learn more about Python threads in the guide:

In concurrent programming we may need to share data between threads.

Data may refer to many different things, such as:

It could be something as simple as a counter or a boolean flag, to application specific data and data structures.

We may need to share data for many reasons because multiple threads need to read and/or write to the same data variable.

The problem with multiple threads reading and writing the same variable is that it can result in a concurrency failure mode called a race condition.

You can learn more about race conditions here:

How can we share data between threads safely?

Run your loops using all CPUs, download my FREE book to learn how.

How to Share Data Between Threads

There are many ways to share data between threads safely.

The specific method to use depends on the type of data to be shared.

Three common approaches include:

• Sharing a boolean variable with a threading.Event.
• Protecting shared data with a threading.Lock.
• Sharing data with a queue.Queue.

Let’s take a closer look at each in turn.

Share a Boolean Variable with an Event

When sharing a boolean flag, an event can be used via the thread.Event class.

The event class will protect a boolean variable ensuring all access and change to the variable is thread safe, avoiding race conditions.

The event can be created in the unset or False state.

It can then be shared between threads.

The status of the event can be checked safely via the is_set() function.

The value event can be changed by multiple different threads. It can be set to True via the set() function and set False via the clear() function.

You can learn more about the event here:

Access Shared Data With a Lock

When sharing ad hoc variables between threads, a mutual exclusion lock (mutex) can be used via the threading.Lock class.

A lock can be used to protect one or multiple shared variables and they may be variables of any type. The shared variables will be protected from race conditions as long as all access and changes to the variables are protected by the lock.

Each thread interested in the variable must first acquire the lock, and then release it once they are finished with the variable. This will ensure that only one thread can access the variable at a time. A thread trying to acquire the lock that has already been acquired must wait until the lock has been released again.

This can be achieved using the acquire() and release() functions, for example:

Источник

Учимся писать многопоточные и многопроцессные приложения на Python

Эта статья не для матёрых укротителей Python’а, для которых распутать этот клубок змей — детская забава, а скорее поверхностный обзор многопоточных возможностей для недавно подсевших на питон.

К сожалению по теме многопоточности в Python не так уж много материала на русском языке, а питонеры, которые ничего не слышали, например, про GIL, мне стали попадаться с завидной регулярностью. В этой статье я постараюсь описать самые основные возможности многопоточного питона, расскажу что же такое GIL и как с ним (или без него) жить и многое другое.

Python — очаровательный язык программирования. В нем прекрасно сочетается множество парадигм программирования. Большинство задач, с которыми может встретиться программист, решаются здесь легко, элегантно и лаконично. Но для всех этих задач зачастую достаточно однопоточного решения, а однопоточные программы обычно предсказуемы и легко поддаются отладке. Чего не скажешь о многопоточных и многопроцессных программах.

Многопоточные приложения

В Python есть модуль threading, и в нем есть все, что нужно для многопоточного программирования: тут есть и различного вида локи, и семафор, и механизм событий. Один словом — все, что нужно для подавляющего большинства многопоточных программ. Причем пользоваться всем этим инструментарием достаточно просто. Рассмотрим пример программы, которая запускает 2 потока. Один поток пишет десять “0”, другой — десять “1”, причем строго по-очереди.

import threading def writer(x, event_for_wait, event_for_set): for i in xrange(10): event_for_wait.wait() # wait for event event_for_wait.clear() # clean event for future print x event_for_set.set() # set event for neighbor thread # init events e1 = threading.Event() e2 = threading.Event() # init threads t1 = threading.Thread(target=writer, args=(0, e1, e2)) t2 = threading.Thread(target=writer, args=(1, e2, e1)) # start threads t1.start() t2.start() e1.set() # initiate the first event # join threads to the main thread t1.join() t2.join() 

Никакой магии и voodoo-кода. Код четкий и последовательный. Причем, как можно заметить, мы создали поток из функции. Для небольших задач это очень удобно. Этот код еще и достаточно гибкий. Допустим у нас появился 3-й процесс, который пишет “2”, тогда код будет выглядеть так:

import threading def writer(x, event_for_wait, event_for_set): for i in xrange(10): event_for_wait.wait() # wait for event event_for_wait.clear() # clean event for future print x event_for_set.set() # set event for neighbor thread # init events e1 = threading.Event() e2 = threading.Event() e3 = threading.Event() # init threads t1 = threading.Thread(target=writer, args=(0, e1, e2)) t2 = threading.Thread(target=writer, args=(1, e2, e3)) t3 = threading.Thread(target=writer, args=(2, e3, e1)) # start threads t1.start() t2.start() t3.start() e1.set() # initiate the first event # join threads to the main thread t1.join() t2.join() t3.join() 

Мы добавили новое событие, новый поток и слегка изменили параметры, с которыми
стартуют потоки (можно конечно написать и более общее решение с использованием, например, MapReduce, но это уже выходит за рамки этой статьи).
Как видим по-прежнему никакой магии. Все просто и понятно. Поехали дальше.

Global Interpreter Lock

Существуют две самые распространенные причины использовать потоки: во-первых, для увеличения эффективности использования многоядерной архитектуры cоврменных процессоров, а значит, и производительности программы;
во-вторых, если нам нужно разделить логику работы программы на параллельные полностью или частично асинхронные секции (например, иметь возможность пинговать несколько серверов одновременно).

В первом случае мы сталкиваемся с таким ограничением Python (а точнее основной его реализации CPython), как Global Interpreter Lock (или сокращенно GIL). Концепция GIL заключается в том, что в каждый момент времени только один поток может исполняться процессором. Это сделано для того, чтобы между потоками не было борьбы за отдельные переменные. Исполняемый поток получает доступ по всему окружению. Такая особенность реализации потоков в Python значительно упрощает работу с потоками и дает определенную потокобезопасность (thread safety).

Но тут есть тонкий момент: может показаться, что многопоточное приложение будет работать ровно столько же времени, сколько и однопоточное, делающее то же самое, или за сумму времени исполнения каждого потока на CPU. Но тут нас поджидает один неприятный эффект. Рассмотрим программу:

with open('test1.txt', 'w') as fout: for i in xrange(1000000): print >> fout, 1 

Эта программа просто пишет в файл миллион строк “1” и делает это за ~0.35 секунды на моем компьютере.

Рассмотрим другую программу:

from threading import Thread def writer(filename, n): with open(filename, 'w') as fout: for i in xrange(n): print >> fout, 1 t1 = Thread(target=writer, args=('test2.txt', 500000,)) t2 = Thread(target=writer, args=('test3.txt', 500000,)) t1.start() t2.start() t1.join() t2.join() 

Эта программа создает 2 потока. В каждом потоке она пишет в отдельный файлик по пол миллиона строк “1”. По-сути объем работы такой же, как и у предыдущей программы. А вот со временем работы тут получается интересный эффект. Программа может работать от 0.7 секунды до аж 7 секунд. Почему же так происходит?

Это происходит из-за того, что когда поток не нуждается в ресурсе CPU — он освобождает GIL, а в этот момент его может попытаться получить и он сам, и другой поток, и еще и главный поток. При этом операционная система, зная, что ядер много, может усугубить все попыткой распределить потоки между ядрами.

UPD: на данный момент в Python 3.2 существует улучшенная реализация GIL, в которой эта проблема частично решается, в частности, за счет того, что каждый поток после потери управления ждет небольшой промежуток времени до того, как сможет опять захватить GIL (на эту тему есть хорошая презентация на английском)

«Выходит на Python нельзя писать эффективные многопоточные программы?», — спросите вы. Нет, конечно, выход есть и даже несколько.

Многопроцессные приложения

Для того, чтобы в некотором смысле решить проблему, описанную в предыдущем параграфе, в Python есть модуль subprocess. Мы можем написать программу, которую хотим исполнять в параллельном потоке (на самом деле уже процессе). И запускать ее в одном или нескольких потоках в другой программе. Такой способ действительно ускорил бы работу нашей программы, потому, что потоки, созданные в запускающей программе GIL не забирают, а только ждут завершения запущенного процесса. Однако, в этом способе есть масса проблем. Основная проблема заключается в том, что передавать данные между процессами становится трудно. Пришлось бы как-то сериализовать объекты, налаживать связь через PIPE или друге инструменты, а ведь все это несет неизбежно накладные расходы и код становится сложным для понимания.

Здесь нам может помочь другой подход. В Python есть модуль multiprocessing. По функциональности этот модуль напоминает threading. Например, процессы можно создавать точно так же из обычных функций. Методы работы с процессами почти все те же самые, что и для потоков из модуля threading. А вот для синхронизации процессов и обмена данными принято использовать другие инструменты. Речь идет об очередях (Queue) и каналах (Pipe). Впрочем, аналоги локов, событий и семафоров, которые были в threading, здесь тоже есть.

Кроме того в модуле multiprocessing есть механизм работы с общей памятью. Для этого в модуле есть классы переменной (Value) и массива (Array), которые можно “обобщать” (share) между процессами. Для удобства работы с общими переменными можно использовать классы-менеджеры (Manager). Они более гибкие и удобные в обращении, однако более медленные. Нельзя не отметить приятную возможность делать общими типы из модуля ctypes с помощью модуля multiprocessing.sharedctypes.

Еще в модуле multiprocessing есть механизм создания пулов процессов. Этот механизм очень удобно использовать для реализации шаблона Master-Worker или для реализации параллельного Map (который в некотором смысле является частным случаем Master-Worker).

Из основных проблем работы с модулем multiprocessing стоит отметить относительную платформозависимость этого модуля. Поскольку в разных ОС работа с процессами организована по-разному, то на код накладываются некоторые ограничения. Например, в ОС Windows нет механизма fork, поэтому точку разделения процессов надо оборачивать в:

Впрочем, эта конструкция и так является хорошим тоном.

Что еще .

Для написания параллельных приложений на Python существуют и другие библиотеки и подходы. Например, можно использовать Hadoop+Python или различные реализации MPI на Python (pyMPI, mpi4py). Можно даже использовать обертки существующих библиотек на С++ или Fortran. Здесь можно было упомянуть про такие фреймфорки/библиотеки, как Pyro, Twisted, Tornado и многие другие. Но это все уже выходит за пределы этой статьи.

Если мой стиль вам понравился, то в следующей статье постараюсь рассказать, как писать простые интерпретаторы на PLY и для чего их можно применять.

Источник