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Python线程的生命周期(新建、就绪、运行、阻塞和死亡)

当线程被创建并启动后,并不会直接进入执行状态,也不会一直处于执行状态,线程的生命周期中,它会经历新建(new)、就绪(Ready)、运行(Running)、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5 种状态。

尤其是当线程启动以后,它不可能一直“霸占”着 CPU 独自运行。所以 CPU 需要在多个线程之间切换,于是线程的状态也会多次在运行、就绪之间转换。

线程的新建和就绪状态

当程序创建了一个 Thread 对象或 Thread 子类的对象之后,该线程就处于新建状态,和其他的 Python 对象一样,此时的线程对象并没有表现出任何线程的动态特征,程序也不会执行线程执行体。

当线程对象调用 start() 方法之后,该线程处于就绪状态,Python 解释器会为其创建方法调用栈和程序计数器,处于这种状态中的线程并没有开始运行,只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行,取决于 Python 解释器中线程调度器的调度。

注意,启动线程使用 start() 方法,而不是 run() 方法。调用 start() 方法来启动线程,系统会把该 run() 方法当成线程执行体来处理;但如果直接调用线程对象的 run() 方法,则 run() 方法立即就会被执行,而且在该方法返回之前其他线程无法并发执行。也就是说,如果直接调用线程对象的 run() 方法,则系统会把线程对象当成一个普通对象,而 run() 方法是一个普通方法,不是线程执行体。

import threading

# 定义准备作为线程执行体的action函数
def action(max):
    for i in range(max):
        # 直接调用run()方法时,Thread的name属性返回的是该对象的名字
        # 而不是当前线程的名字
        # 使用threading.current_thread().name总是获取当前线程的名字
        print(threading.current_thread().name +  " " + str(i))  # ①
for i in range(100):
    # 调用Thread的currentThread()方法获取当前线程
    print(threading.current_thread().name +  " " + str(i))
    if i == 20:
        # 直接调用线程对象的run()方法
        # 系统会把线程对象当成普通对象,把run()方法当成普通方法
        # 所以下面两行代码并不会启动两个线程,而是依次执行两个run()方法
        threading.Thread(target=action,args=(100,)).run()
        threading.Thread(target=action,args=(100,)).run()
上面程序在创建线程对象后,直接调用了线程对象的 run() 方法,程序运行的结果是整个程序只有一个主线程。还有一点需要指出,如果直接调用线程对象的 run() 方法,则在 run() 方法中不能直接通过 name 属性(getName() 方法)来获取当前执行线程的名字,而是需要使用 threading.current_thread() 函数先获取当前线程,然后再调用线程对象的 name 属性来获取线程的名字。

通过上面程序不难看出,启动线程的正确方法是调用 Thread 对象的 start() 方法,而不是直接调用 run() 方法,否则就变成单线程程序了。

需要指出的是,在调用线程对象的 run() 方法之后,该线程己经不再处于新建状态,不要再次调用线程对象的 start() 方法。

注意,只能对处于新建状态的线程调用 start() 方法。也就是说,如果程序对同一个线程重复调用 start() 方法,将引发 RuntimeError 异常。

在调用线程对象的 start() 方法之后,该线程立即进入就绪状态(相当于“等待执行”),但该线程并未真正进入运行状态。

线程的运行和阻塞状态

如果处于就绪状态的线程获得了 CPU,开始执行 run() 方法的线程执行体,则该线程处于运行状态。

如果计算机只有一个 CPU,那么在任何时刻只有一个线程处于运行状态。当然,在一个具有多处理器的机器上,将会有多个线程并行(Parallel)执行;当线程数大于处理器数时,依然会存在多个线程在同一个 CPU 上轮换的情况。

当一个线程开始运行后,它不可能一直处于运行状态(除非它的线程执行体足够短,瞬间就执行结束了),线程在运行过程中需要被中断,目的是使其他线程获得执行的机会,线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。对于采用抢占式调度策略的系统而言,系统会给每一个可执行的线程一个小时间段来处理任务;当该时间段用完后,系统就会剥夺该线程所占用的资源,让其他线程获得执行的机会。在选择下一个线程时,系统会考虑线程的优先级。

所有现代的桌面和服务器操作系统都采用抢占式调度策略,但一些小型设备如手机等则可能采用协作式调度策略,在这样的系统中,只有当一个线程调用了它的 sleep() 或 yield() 方法后才会放弃其所占用的资源(也就是必须由该线程主动放弃其所占用的资源)。

当发生如下情况时,线程将会进入阻塞状态:
  • 线程调用 sleep() 方法主动放弃其所占用的处理器资源。
  • 线程调用了一个阻塞式 I/O 方法,在该方法返回之前,该线程被阻塞。
  • 线程试图获得一个锁对象,但该锁对象正被其他线程所持有。关于锁对象的知识,后面将有更深入的介绍。
  • 线程在等待某个通知(Notify)。

当前正在执行的线程被阻塞之后,其他线程就可以获得执行的机会。被阻塞的线程会在合适的时候重新进入就绪状态,注意是就绪状态,而不是运行状态。也就是说,被阻塞线程的阻塞解除后,必须重新等待线程调度器再次调度它。

针对上面几种情况,当发生如下特定的情况时可以解除阻塞,让该线程重新进入就绪状态:
  • 调用 sleep() 方法的线程经过了指定的时间。
  • 线程调用的阻塞式 I/O 方法己经返回。
  • 线程成功地获得了试图获取的锁对象。
  • 线程正在等待某个通知时,其他线程发出了一个通知。

图 1 显示了线程状态转换图。
线程状态转换图
图 1 线程状态转换图

从图 1 中可以看出,线程从阻塞状态只能进入就绪状态,无法直接进入运行状态。就绪和运行状态之间的转换通常不受程序控制,而是由系统线程调度所决定的,当处于就绪状态的线程获得处理器资源时,该线程进入运行状态;当处于运行状态的线程失去处理器资源时,该线程进入就绪状态。

线程死亡

线程会以如下方式结束,结束后就处于死亡状态:
  • run() 方法或代表线程执行体的 target 函数执行完成,线程正常结束。
  • 线程抛出一个未捕获的 Exception 或 Error。

注意,当主线程结束时,其他线程不受任何影响,并不会随之结束。一旦子线程启动起来后,它就拥有和主线程相同的地位,不会受主线程的影响。

为了测试某个线程是否己经死亡,可以调用线程对象的 is_alive() 方法,当线程处于就绪、运行、阻塞三种状态时,该方法将返回 True;当线程处于新建、死亡两种状态时,该方法将返回 False。

不要试图对一个已经死亡的线程调用 start() 方法使它重新启动,死亡就是死亡,该线程将不可再次作为线程运行。下面程序尝试对处于死亡状态的线程再次调用 start() 方法:
import threading

# 定义action函数准备作为线程执行体使用
def action(max):
    for  i in range(100):
        print(threading.current_thread().name +  " " + str(i))
# 创建线程对象
sd = threading.Thread(target=action, args=(100,))
for i in range(300):
    # 调用threading.current_thread()函数获取当前线程
    print(threading.current_thread().name +  " " + str(i))
    if i == 20:
        # 启动线程
        sd.start()
        # 判断启动后线程的is_alive()值,输出True
        print(sd.is_alive())
    # 当线程处于新建、死亡两种状态时,is_alive()方法返回False
    # 当i > 20时,该线程肯定已经启动过了,如果sd.is_alive()为False时
    # 那就是死亡状态了
    if i > 20 and not(sd.is_alive()):
        # 试图再次启动该线程
        sd.start()
程序试图在线程已死亡的情况下再次调用 start() 方法来启动该线程。运行程序,将引发 RuntimeError 异常,这表明处于死亡状态的线程无法再次运行。

注意,不要对处于死亡状态的线程调用 start() 方法,程序只能对处于新建状态的线程调用 start() 方法,对于处于新建状态的线程两次调用 start() 方法也是错误的。它们都会引发 RuntimeError 异常。

看到这里,可能有读者感觉 Python 的多线程编程有些似曾相识,有点类似于 Java 中关于多线程的介绍,的确如此。实际上,Python 的多线程模型完全是借用 Java 的。因此,如果有很好的 Java 多线程编程基础,那么学习 Python 多线程编程基本上毫无压力,因为它们大致是相同的。

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