CodePattern/B 高性能模式/03 多线程的应用场景.md

Python的多线程时间切片间隔可以通过 sys.setswitchinterval() 设置。其他切换触发条件 ：

• 当线程等待I/O操作（如网络请求或磁盘读写）时，GIL会被释放，允许其他线程运行。
• 某些函数（如 time.sleep()）会显式释放GIL，切换到其他线程执行。
• 线程主动释放GIL。

异步编程特别适合高并发的 I/O 密集型任务（如 Web 服务器、爬虫、实时通信）, 特别是大量并发连接的任务。 对于 I/O 密集型任务，异步编程 通常比 多线程 是更好的选择。 多线程相对编程简单 。

以下场景更适合使用 多线程：

场景：GUI 应用程序

在 GUI（图形用户界面）应用程序中，主线程负责处理用户交互，而其他任务（如文件读写、网络请求）需要在后台运行，以避免阻塞主线程导致界面卡顿。多线程可以与 GUI 主线程共享内存，方便更新界面状态。线程间通信简单，适合处理后台任务。GUI 框架（如 PyQt、Tkinter）通常有自己的事件循环，与异步编程的事件循环冲突。

import sys
import requests
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QWidget, QVBoxLayout, QPushButton, QLabel
from PyQt5.QtCore import QThread, pyqtSignal

# 工作线程：负责下载文件
class DownloadThread(QThread):
    # 自定义信号，用于通知主线程下载进度
    progress_signal = pyqtSignal(str)

    def __init__(self, url):
        super().__init__()
        self.url = url

    def run(self):
        self.progress_signal.emit("开始下载...")
        try:
            response = requests.get(self.url, stream=True)
            total_size = int(response.headers.get("content-length", 0))
            downloaded_size = 0
            with open("downloaded_file", "wb") as file:
                for chunk in response.iter_content(chunk_size=1024):
                    file.write(chunk)
                    downloaded_size += len(chunk)
                    progress = f"已下载: {downloaded_size / 1024:.2f} KB / {total_size / 1024:.2f} KB"
                    self.progress_signal.emit(progress)
            self.progress_signal.emit("下载完成！")
        except Exception as e:
            self.progress_signal.emit(f"下载失败: {str(e)}")

#### 主窗口
class MainWindow(QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.init_ui()

    def init_ui(self):
        self.setWindowTitle("多线程下载示例")
        self.setGeometry(100, 100, 300, 150)

        # 布局
        layout = QVBoxLayout()

        # 下载按钮
        self.download_button = QPushButton("开始下载", self)
        self.download_button.clicked.connect(self.start_download)
        layout.addWidget(self.download_button)

        # 状态标签
        self.status_label = QLabel("点击按钮开始下载", self)
        layout.addWidget(self.status_label)

        self.setLayout(layout)

    def start_download(self):
        # 禁用按钮，防止重复点击
        self.download_button.setEnabled(False)
        self.status_label.setText("准备下载...")

        # 创建工作线程
        self.download_thread = DownloadThread("https://example.com/large_file.zip")
        self.download_thread.progress_signal.connect(self.update_status)
        self.download_thread.finished.connect(self.on_download_finished)
        self.download_thread.start()

    def update_status(self, message):
        # 更新状态标签
        self.status_label.setText(message)

    def on_download_finished(self):
        # 下载完成后启用按钮
        self.download_button.setEnabled(True)

if __name__ == "__main__":
    app = QApplication(sys.argv)
    window = MainWindow()
    window.show()
    sys.exit(app.exec_())

场景：与阻塞式 API 交互

某些库或 API 是阻塞式的（如某些数据库驱动、硬件接口库），无法直接使用异步编程。在这种情况下，多线程可以避免阻塞主线程。

import threading
import time
import sqlite3

def query_database():
    # 模拟阻塞式数据库查询
    conn = sqlite3.connect("example.db")
    cursor = conn.cursor()
    cursor.execute("SELECT * FROM users")
    results = cursor.fetchall()
    print("查询完成，结果:", results)
    conn.close()

def main():
    print("主线程开始")
    # 创建线程执行数据库查询
    thread = threading.Thread(target=query_database)
    thread.start()
    # 主线程继续执行其他任务
    for i in range(5):
        print(f"主线程运行中... {i}")
        time.sleep(1)
    thread.join()
    print("主线程结束")

main()

场景：任务队列与线程池

在需要处理大量短期任务的场景中（如 Web 服务器的请求处理），使用线程池可以简单编程实现高效地管理任务。 特别类似上面场景，有些任务是阻塞式的，不支持异步

import concurrent.futures
import time

def process_task(task):
    print(f"开始处理任务: {task}")
    time.sleep(2)  # 模拟任务处理时间
    print(f"完成处理任务: {task}")

def main():
    print("主线程开始")
    tasks = ["task1", "task2", "task3", "task4", "task5"]
    # 使用线程池处理任务
    with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as executor:
        executor.map(process_task, tasks)
    print("主线程结束")

main()

场景：与 C/C++ 扩展交互

某些 Python 库是基于 C/C++ 扩展实现的（如 numpy、pandas），这些扩展可能释放了 GIL，允许在多线程中并行运行。 多线程常常更快 。

import threading
import numpy as np

def compute_task(data):
    result = np.sum(data)
    print(f"计算结果: {result}")

def main():
    print("主线程开始")
    data = np.random.rand(1000000)  # 生成随机数据
    # 创建多个线程并行计算
    threads = []
    for i in range(4):
        thread = threading.Thread(target=compute_task, args=(data,))
        thread.start()
        threads.append(thread)
    for thread in threads:
        thread.join()
    print("主线程结束")

main()

场景：需要共享状态

在某些场景中，多个任务需要频繁共享和修改状态（如缓存、计数器），使用多线程可以方便地共享内存。 线程之间可以直接访问和修改共享变量。 异步任务之间是独立的，不能直接共享变量或状态。 如果需要在任务之间共享状态，必须通过显式的机制（如队列、回调函数）来传递数据。

import threading

class Counter:
    def __init__(self):
        self.value = 0
        self.lock = threading.Lock()

    def increment(self):
        with self.lock:
            self.value += 1
            print(f"计数器值: {self.value}")

def worker(counter):
    for _ in range(5):
        counter.increment()

def main():
    print("主线程开始")
    counter = Counter()
    # 创建多个线程共享计数器
    threads = []
    for i in range(3):
        thread = threading.Thread(target=worker, args=(counter,))
        thread.start()
        threads.append(thread)
    for thread in threads:
        thread.join()
    print("主线程结束")

main()