线程和进程
计算机，用于计算的机器。计算机的核心是CPU，在现在多核心的电脑很常见了。为了充分利用cpu核心做计算任务，程序实现了多线程模型。通过多线程实现多任务的并行执行。
现在的操作系统多是多任务操作系统。每个应用程序都有一个自己的进程。操作系统会为这些进程分配一些执行资源，例如内存空间等。在进程中，又可以创建一些线程，他们共享这些内存空间，并由操作系统调用，以便并行计算。
线程状态
创建线程之后，线程并不是始终保持一个状态。其状态大概如下：
-
New创建。 -
Runnable就绪。等待调度 -
Running运行。 -
Blocked阻塞。阻塞可能在WaitLockedSleeping -
Dead消亡
这些状态之间是可以相互转换的，一图胜千颜色：
(图片引用 内心求法博客)
线程中执行到阻塞，可能有3种情况：
- 同步：线程中获取同步锁，但是资源已经被其他线程锁定时，进入Locked状态，直到该资源可获取（获取的顺序由Lock队列控制）
- 睡眠：线程运行sleep()或join()方法后，线程进入Sleeping状态。区别在于sleep等待固定的时间，而join是等待子线程执行完。当然join也可以指定一个“超时时间”。从语义上来说，如果两个线程a,b, 在a中调用b.join()，相当于合并(join)成一个线程。最常见的情况是在主线程中join所有的子线程。
- 等待：线程中执行wait()方法后，线程进入Waiting状态，等待其他线程的通知(notify）。
线程类型
线程有着不同的状态，也有不同的类型。大致可分为：
- 主线程
- 子线程
- 守护线程（后台线程）
- 前台线程
Python线程与GIL
相比进程，线程更加轻量，可以实现并发。可是在python的世界里，对于线程，就不得不说一句GIL(全局解释器锁)。GIL的存在让python的多线程多少有点鸡肋了。Cpython的线程是操作系统原生的线程在解释器解释执行任何Python代码时，都需要先获得这把锁才行，在遇到 I/O 操作时会释放这把锁。因为python的进程做为一个整体，解释器进程内只有一个线程在执行，其它的线程都处于等待状态等着GIL的释放。
关于GIL可以有更多的趣事，一时半会都说不完。总之python想用多线程并发，效果可能还不如单线程（线程切换耗时间）。想要利用多核，可以考虑使用多进程。
线程的创建
虽然python线程比较鸡肋，可是也并发一无是处。多了解还是有理由对并发模型的理解。
Python提供两个模块进行多线程的操作，分别是thread和threading，前者是比较低级的模块，用于更底层的操作，一般应有级别的开发不常用。后者则封装了更多高级的接口，类似java的多线程风格，提供run方法和start调用。
import time
import threading
class MyThread(threading.Thread):
def run(self):
for i in range(5):
print 'thread {}, @number: {}'.format(self.name, i)
time.sleep(1)
def main():
print "Start main threading"
# 创建三个线程
threads = [MyThread() for i in range(3)]
# 启动三个线程
for t in threads:
t.start()
print "End Main threading"
if __name__ == '__main__':
main()
输入如下：（不同的环境不一样）
Start main threading
thread Thread-1, @number: 0
thread Thread-2, @number: 0
thread Thread-3, @number: 0
End Main threading
thread Thread-1, @number: 1
thread Thread-3, @number: 1
thread Thread-2, @number: 1
thread Thread-3, @number: 2
thread Thread-1, @number: 2
thread Thread-2, @number: 2
thread Thread-2, @number: 3
thread Thread-1, @number: 3
thread Thread-3, @number: 3
每个线程都依次打印 0 - 3 三个数字，可是从输出的结果观察，线程并不是顺序的执行，而是三个线程之间相互交替执行。此外，我们的主线程执行结束，将会打印 End Main threading。从输出结果可以知道，主线程结束后，新建的线程还在运行。
线程合并（join方法）
上述的例子中，主线程结束了，子线程还在运行。如果需要主线程等待子线程执行完毕再退出，可是使用线程的join方法。join方法官网文档大概是
join(timeout)方法将会等待直到线程结束。这将阻塞正在调用的线程，直到被调用join()方法的线程结束。
主线程或者某个函数如果创建了子线程，只要调用了子线程的join方法，那么主线程就会被子线程所阻塞，直到子线程执行完毕再轮到主线程执行。其结果就是所有子线程执行完毕，才打印 End Main threading。只需要修改上面的main函数
def main():
print "Start main threading"
threads = [MyThread() for i in range(3)]
for t in threads:
t.start()
# 一次让新创建的线程执行 join
for t in threads:
t.join()
print "End Main threading"
输入如下：
Start main threading
thread Thread-1, @number: 0
thread Thread-2, @number: 0
thread Thread-3, @number: 0
thread Thread-2, @number: 1
....
thread Thread-3, @number: 4
End Main threading
Process finished with exit code 0
所有子线程结束了才会执行也行print "End Main threading"。有人会这么想，如果在 t.start()之后join会怎么样？结果也能阻塞主线程，但是每个线程都是依次执行，变得有顺序了。其实join很好理解，就字面上的意思就是子线程 “加入”（join）主线程嘛。在CPU执行时间片段上“等于”主线程的一部分。在start之后join，也就是每个子线程由被后来新建的子线程给阻塞了，因此线程之间变得有顺序了。
借用moxie的总结：
1 join方法的作用是阻塞主进程（挡住，无法执行join以后的语句），专注执行多线程。
2 多线程多join的情况下，依次执行各线程的join方法，前头一个结束了才能执行后面一个。
3 无参数，则等待到该线程结束，才开始执行下一个线程的join。
4 设置参数后，则等待该线程这么长时间就不管它了（而该线程并没有结束）。不管的意思就是可以执行后面的主进程了
线程同步与互斥锁
线程之所以比进程轻量，其中一个原因就是他们共享内存。也就是各个线程可以平等的访问内存的数据，如果在短时间“同时并行”读取修改内存的数据，很可能造成数据不同步。例如下面的例子：
count = 0
class MyThread(threading.Thread):
def run(self):
global count
time.sleep(1)
for i in range(100):
count += 1
print 'thread {} add 1, count is {}'.format(self.name, count)
def main():
print "Start main threading"
for i in range(10):
MyThread().start()
print "End Main threading"
输出结果如下，十个线程，每个线程增加100，运算结果应该是1000：
Start main threading
End Main threading
thread Thread-6 add 1, count is 161thread Thread-1 add 1, count is 433
thread Thread-7 add 1, count is 482
thread Thread-2 add 1, count is 100
thread Thread-9 add 1, count is 125
thread Thread-8 add 1, count is 335
thread Thread-5 add 1, count is 533thread Thread-3 add 1, count is 533
thread Thread-10 add 1, count is 261
thread Thread-4 add 1, count is 308
为了避免线程不同步造成是数据不同步，可以对资源进行加锁。也就是访问资源的线程需要获得锁，才能访问。threading模块正好提供了一个Lock功能，修改代码如下：
# 创建锁
mutex = threading.Lock()
class MyThread(threading.Thread):
def run(self):
global count
time.sleep(1)
# 获取锁，修改资源
if mutex.acquire():
for i in range(100):
count += 1
print 'thread {} add 1, count is {}'.format(self.name, count)
# 释放锁
mutex.release()
死锁
有锁就可以方便处理线程同步问题，可是多线程的复杂度和难以调试的根源也来自于线程的锁。利用不当，甚至会带来更多问题。比如死锁就是需要避免的问题。
mutex_a = threading.Lock()
mutex_b = threading.Lock()
class MyThread(threading.Thread):
def task_a(self):
if mutex_a.acquire():
print "thread {} get mutex a ".format(self.name)
time.sleep(1)
if mutex_b.acquire():
print "thread {} get mutex b ".format(self.name)
mutex_b.release()
mutex_a.release()
def task_b(self):
if mutex_b.acquire():
print "thread {} get mutex a ".format(self.name)
time.sleep(1)
if mutex_a.acquire():
print "thread {} get mutex b ".format(self.name)
mutex_a.release()
mutex_b.release()
def run(self):
self.task_a()
self.task_b()
def main():
print "Start main threading"
threads = [MyThread() for i in range(2)]
for t in threads:
t.start()
print "End Main threading"
线程需要执行两个任务，两个任务都需要获取锁，然而两个任务先得到锁后，就需要等另外锁释放。
可重入锁
为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了可重入锁（RLock）。RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次require。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。
mutex = threading.RLock()
class MyThread(threading.Thread):
def run(self):
if mutex.acquire(1):
print "thread {} get mutex".format(self.name)
time.sleep(1)
mutex.acquire()
mutex.release()
mutex.release()
def main():
print "Start main threading"
threads = [MyThread() for i in range(2)]
for t in threads:
t.start()
print "End Main threading"
条件变量
实用锁可以达到线程同步，前面的互斥锁就是这种机制。更复杂的环境，需要针对锁进行一些条件判断。Python提供了Condition对象。它除了具有acquire和release方法之外，还提供了wait和notify方法。线程首先acquire一个条件变量锁。如果条件不足，则该线程wait，如果满足就执行线程，甚至可以notify其他线程。其他处于wait状态的线程接到通知后会重新判断条件。
条件变量可以看成不同的线程先后acquire获得锁，如果不满足条件，可以理解为被扔到一个（Lock或RLock）的waiting池。直达其他线程notify之后再重新判断条件。该模式常用于生成消费者模式：
queue = []
con = threading.Condition()
class Producer(threading.Thread):
def run(self):
while True:
if con.acquire():
if len(queue) > 100:
con.wait()
else:
elem = random.randrange(100)
queue.append(elem)
print "Producer a elem {}, Now size is {}".format(elem, len(queue))
time.sleep(random.random())
con.notify()
con.release()
class Consumer(threading.Thread):
def run(self):
while True:
if con.acquire():
if len(queue) < 0:
con.wait()
else:
elem = queue.pop()
print "Consumer a elem {}. Now size is {}".format(elem, len(queue))
time.sleep(random.random())
con.notify()
con.release()
def main():
for i in range(3):
Producer().start()
for i in range(2):
Consumer().start()
上述就是一个简单的生产者消费模型，先看生产者，生产者条件变量锁之后就检查条件，如果不符合条件则wait，wait的时候会释放锁。如果条件符合，则往队列添加元素，然后会notify其他线程。注意生产者调用了condition的notify()方法后，消费者被唤醒，但唤醒不意味着它可以开始运行，notify()并不释放lock，调用notify()后，lock依然被生产者所持有。生产者通过con.release()显式释放lock。消费者再次开始运行，获得条件锁然后判断条件执行。
队列
生产消费者模型主要是对队列进程操作，贴心的Python为我们实现了一个队列结构，队列内部实现了锁的相关设置。可以用队列重写生产消费者模型。
import Queue
queue = Queue.Queue(10)
class Producer(threading.Thread):
def run(self):
while True:
elem = random.randrange(100)
queue.put(elem)
print "Producer a elem {}, Now size is {}".format(elem, queue.qsize())
time.sleep(random.random())
class Consumer(threading.Thread):
def run(self):
while True:
elem = queue.get()
queue.task_done()
print "Consumer a elem {}. Now size is {}".format(elem, queue.qsize())
time.sleep(random.random())
def main():
for i in range(3):
Producer().start()
for i in range(2):
Consumer().start()
queue内部实现了相关的锁，如果queue的为空，则get元素的时候会被阻塞，知道队列里面被其他线程写入数据。同理，当写入数据的时候，如果元素个数大于队列的长度，也会被阻塞。也就是在 put 或 get的时候都会获得Lock。
线程通信
线程可以读取共享的内存，通过内存做一些数据处理。这就是线程通信的一种，python还提供了更加高级的线程通信接口。Event对象可以用来进行线程通信，调用event对象的wait方法，线程则会阻塞等待，直到别的线程set之后，才会被唤醒。
class MyThread(threading.Thread):
def __init__(self, event):
super(MyThread, self).__init__()
self.event = event
def run(self):
print "thread {} is ready ".format(self.name)
self.event.wait()
print "thread {} run".format(self.name)
signal = threading.Event()
def main():
start = time.time()
for i in range(3):
t = MyThread(signal)
t.start()
time.sleep(3)
print "after {}s".format(time.time() - start)
signal.set()
上面的例子创建了3个线程，调用线程之后，线程将会被阻塞，sleep 3秒后，才会被唤醒执行，大概输出如下：
thread Thread-1 is ready
thread Thread-2 is ready
thread Thread-3 is ready
after 3.00441598892s
thread Thread-2 run
thread Thread-3 run
thread Thread-1 run
后台线程
默认情况下，主线程退出之后，即使子线程没有join。那么主线程结束后，子线程也依然会继续执行。如果希望主线程退出后，其子线程也退出而不再执行，则需要设置子线程为后台线程。python提供了seDeamon方法：
class MyThread(threading.Thread):
def run(self):
wait_time = random.randrange(1, 10)
print "thread {} will wait {}s".format(self.name, wait_time)
time.sleep(wait_time)
print "thread {} finished".format(self.name)
def main():
print "Start main threading"
for i in range(5):
t = MyThread()
t.setDaemon(True)
t.start()
print "End Main threading"
输出结果如下：
Start main threading
thread Thread-1 will wait 3s
thread Thread-2 will wait 6s
thread Thread-3 will wait 4s
thread Thread-4 will wait 6s
thread Thread-5 will wait 2sEnd Main threading
每个线程都应该等待sleep几秒，可是主线程很快就执行完了，子线程因为设置了后台线程，所以也跟着主线程退出了。
关于Python多线程的介绍暂且就这些，多线程用于并发任务。对于并发模型，Python还有比线程更好的方法。同样设计任务的时候，也需要考虑是计算密集型还是IO密集型。针对不同的场景，设计不同的程式系统。
文中的代码 learn-threading
参考资料：
1 http://www.cnblogs.com/holbrook/tag/%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B/
2 http://zhuoqiang.me/python-thread-gil-and-ctypes.html
