一、多任务概念
二、实现多任务方式
- 1、多进程（Multiprocessing）
- 2、多线程（Multithreading）
- 3、协程（Coroutine）
三、多线程执行顺序
四、多线程的方法
- 1、join()
- 2、setDaemon()
- 3、threading.enumerate()
五、继承 Thread 类创建线程
六、线程间的通信（多线程共享全局变量）
七、互斥锁和死锁
- 1、互斥锁
- 2、死锁
八、生产者与消费者模式
- 1、Queue 线程队列
- 2、生产者和消费者
九、案例
- 1、单线程实现
- 2、多线程实现
十、作业

一、多任务概念

多任务（Multitasking）是指在同一时间内执行多个任务或进程的能力。它可以以不同的方式实现，包括多进程、多线程和协程等。

二、实现多任务方式

1、多进程（Multiprocessing）

多进程是指同时运行多个独立的进程，每个进程有自己的地址空间和系统资源。多进程可以在多个处理器核心上并行执行任务，每个进程拥有独立的执行环境，相互之间不受影响。

进程（Process）

进程是计算机中运行的程序的实例。每个进程都拥有独立的内存空间和系统资源。一个进程可以包含多个线程。

2、多线程（Multithreading）

多线程是指在一个进程中同时执行多个线程的编程模型。线程是进程内的执行单元，每个线程独立执行特定的任务，但共享同一进程的内存空间。多线程编程可以提高程序的并发性和响应性。

线程（Thread）

线程是操作系统能够进行调度的最小单位。它包含了执行代码所需的上下文信息（如程序计数器、栈、寄存器等），可以独立运行和调度。多个线程可以在同一时间内执行不同的任务。

主线程（Main Thread）

主线程是程序启动时默认创建的第一个线程。主线程负责执行程序的入口点，并可以创建其它线程。

3、协程（Coroutine）

协程是一种轻量级的并发编程技术=，它可以在单线程中实现多个独立的执行流程，从而提供高效的并发和协作。与线程相比，协程的切换开销更小，且没有多线程中的锁和同步机制的复杂性。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其它地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。

寄存器上下文（Register Context）

是指存储在处理器寄存器中的一组值，用于保存正在执行的程序的状态信息。寄存器上下文包含了程序计数器、栈指针、通用寄存器等寄存器的值。

并发（Concurrency）

并发是指多个任务同时进行，但不一定同时完成。在多线程编程中，线程可以并发执行，通过时间片轮转等方式实现看似同时执行的效果。（资源够用，比如三个线程，四核的 CPU。）

并行（Parallelism）

并行是指多个任务同时进行且同时完成。在多核处理器上，多个线程可以被映射到不同的核上并行执行。（比如单核 CPU 资源，同时只能运行一个任务，A 运行一段后，让给 B，B 用完继续给 A，交替使用，提高效率。）

三、多线程执行顺序

# 时间模块
import time

def task():
    print("hello python")
    time.sleep(1)
    print("hello world")
for i in range(5):
    task()
    
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world

# 时间模块
import time
# 多线程模块
import threading

# 子线程
def task():
    print("hello python")
    time.sleep(1)
    print("hello world")

# 主线程
if __name__ == '__main__':
    for i in range(5): # 循环5次，创建了5个线程对象
        # 创建线程对象，target 是执行任务
        t = threading.Thread(target=task)
        # 多线程为开始工作状态
        t.start()
        
# hello python
# hello python
# hello python
# hello python
# hello python
# hello world
# hello world
# hello world
# hello world
# hello world

四、多线程的方法

1、join()

等待子线程结束之后，主线程继续执行。

谨慎使用，假设子线程当中有一个死循环，子线程不结束，主线程能不能结束。

# 时间模块
import time
# 多线程模块
import threading

# 子线程
def task():
    print("hello python")
    time.sleep(1)
    print("hello world")

# 主线程
if __name__ == '__main__':
    for i in range(5): # 循环5次，创建了5个线程对象
        # 创建线程对象，target 是执行任务
        t = threading.Thread(target=task)
        # 多线程为开始工作状态
        t.start()
        # 子线程结束了才会执行后面的代码
        t.join()

# hello python
# hello world
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world
# hello python
# hello world

2、setDaemon()

守护线程，不会等待子线程结束。

# 时间模块
import time
# 多线程模块
import threading

# 子线程
def task():
    print("hello python")
    time.sleep(1)
    print("hello world")

# 主线程
if __name__ == '__main__':
    for i in range(5): # 循环5次，创建了5个线程对象
        # 创建线程对象，target 是执行任务
        t = threading.Thread(target=task)
        # 守护线程：主线程结束程序就立马结束了，不会影响到主线程的运行
        t.setDaemon(True)
        # 多线程为开始工作状态
        t.start()

# hello python
# hello python
# hello python
# hello python
# hello python

3、threading.enumerate()

查看当前线程的数量。

# 时间模块
import time
# 多线程模块
import threading

# 子线程
def sing():
    for i in range(3):
        print(f'正在唱歌。。。{i}')
        time.sleep(0.5)

# 子线程
def dance():
    for i in range(3):
        print(f'正在跳舞。。。{i}')
        time.sleep(0.5)

# 主线程
if __name__ == '__main__':
    # 创建线程对象
    t1 = threading.Thread(target=sing)
    t2 = threading.Thread(target=dance)
    # 开启线程
    t1.start() # start 开启时，子线程才算创建
    t2.start()
    # 查看线程数量
    # 2子1主，共3个线程
    print(threading.enumerate()) # [<_MainThread(MainThread, started 8584)>, <Thread(Thread-1, started 5504)>, <Thread(Thread-2, started 18404)>]

五、继承 Thread 类创建线程

# 时间模块
import time
# 多线程模块
import threading

# 创建的是类，继承线程类，就具备线程的特性
class MyThread1(threading.Thread):
    # 重写父类的 run 方法，start 触发 run 方法
    def run(self):
        for i in range(5):
            print(f'MyThread1---{i}')
            time.sleep(1)

class MyThread2(threading.Thread):
    def run(self):
        for i in range(5):
            print(f'MyThread2---{i}')
            time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    # 创建对象
    mt = MyThread1()
    mt1 = MyThread2()
    # 开启线程
    mt.start()
    mt1.start()

六、线程间的通信（多线程共享全局变量）

在一个函数中，对全局变量进行修改的时候，如果修改了指向，必须使用 global，仅仅是修改了指向空间中的数据时，不用必须使用 global。

线程是共享全局变量的。

import threading # 导入线程模块

# 定义全局变量 num，初始值为0
num = 0

# 定义函数 task
def task():
    # 在函数内部使用全局变量 num
    global num
    # 循环数据
    for i in range(10000000): # 1千万
        num += 1
    # 打印当前 num 的值
    print("task--num=%d" % num)

# 定义函数 task1
def task1():
    # 在函数内部使用全局变量 num
    global num
    # 循环数据
    for i in range(10000000):  # 1千万
        num += 1
    # 打印当前 num 的值
    print(f"task1 num={num}")

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    # 创建一个线程对象 t，执行函数 task
    t = threading.Thread(target=task)
    # 创建一个线程对象 t1，执行函数 task1
    t1 = threading.Thread(target=task1)
    # 启动线程 t
    t.start()
    # 启动线程 t1
    t1.start()
    # 打印当前 num 的值（在两个子线程运行之前打印）
    print(f"main--num={num}")

七、互斥锁和死锁

1、互斥锁

当多个线程几乎同时修改某一个共享数据的时候，需要进行同步控制。

某个线程要更改共享数据时，先将其锁定，此时，资源的状态为“锁定”，其它线程不能改变，直到该线程释放资源，将资源的状态变成“非锁定”，其它的线程才能再次锁定该资源。

互斥锁保证了每次只有一个线程进入写入操作，从而保证了多线程情况下数据的正确性。

# 创建锁
mutex = threading.Lock()
# 锁定
mutex.acquire()
# 释放
mutex.release()

import threading # 导入线程模块
import time # 导入时间模块

# 定义全局变量 num，初始值为0
num = 0

# 定义函数 task
def task(nums):
    # 在函数内部使用全局变量 num
    global num
    # 获取互斥锁，确保线程安全
    mutex.acquire()
    # 循环数据
    for i in range(nums):
        num += 1
    # 释放互斥锁
    mutex.release()
    # 打印当前 num 的值
    print("task--num=%d" % num)

# 定义函数 task1
def task1(nums):
    # 在函数内部使用全局变量 num
    global num
    # 获取互斥锁，确保线程安全
    mutex.acquire()
    # 循环数据
    for i in range(nums):
        num += 1
    # 释放互斥锁
    mutex.release()
    # 打印当前 num 的值
    print(f"task1 num={num}")

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    # 创建互斥锁对象
    mutex = threading.Lock()
    # 定义 nums 的值
    nums = 10000
    # 创建一个线程对象 t，执行函数 task
    t = threading.Thread(target=task, args=(nums,), ) # 传参，数据类型必须是元组
    # 创建一个线程对象 t1，执行函数 task1
    t1 = threading.Thread(target=task1, args=(nums, ))
    # 启动线程 t
    t.start()
    # 启动线程 t1
    t1.start()
    # 主线程等待2秒，确保子线程执行完毕
    time.sleep(2)
    # 打印当前 num 的值
    print(f"main--num={num}")

2、死锁

在线程间共享多个资源的时候，如果两个线程分别占有一部分资源并且同时等待对方的资源，就会造成死锁。

八、生产者与消费者模式

1、Queue 线程队列

Queue（队列）是一个线程安全的数据结构，常用于在多线程编程中实现线程间的通信和数据共享。

Python 中的 queue 模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括 FIFO（先进先出）队列 Queue，LIFO（后入先出）队列 LifoQueue。

这些队列都实现了锁原语（可以理解为原子操作，即要么不做，要么都做完），能够在多线程中直接使用，使用队列可以实现线程间的同步。

队列方法

初始化 Queue(maxsize)：创建一个先进先出的队列。
empty()：判断队列是否为空。
full()：判断队列是否满了。
get()：从队列中取最后一个数据。
put()：将一个数据放到队列中。

from queue import Queue # 导入队列模块中的 Queue 类，用于使用队列数据结构

# 实例化对象，队列充当的是容器
# 初始化 Queue(maxsize)
q = Queue(5) # maxsize 为5，就只能存5组数据,可以存放任何类型的数据
q.put(1) # 往队列当中添加值
q.put({"key":"value"})
q.put([2, 3, 4])
q.put(3.5)
q.put(True)
# q.put(4) # 超出队列大小，程序会出现阻塞
print('----', q.qsize()) # 查看队列的大小

# 取值
print(q.get())
print(q.get())
print('----', q.qsize()) # 查看队列的大小，取出后的值不在队列中了

# 判断队列是否满了
print(q.full()) # False 3
print(q.empty()) # 判断队列是否为空，如果是空返回的是 True

2、生产者和消费者

生产者和消费者模式是多线程开发中常见的一种模式。通过这种模式，可以让代码达到高内聚低耦合的目标，线程管理更加方便，程序分工更加明确。

生产者的线程专门用来生产一些数据，然后存放到容器（中间变量）中，消费者再从这个中间的容器中取出数据进行消费。

在这里插入图片描述

from queue import Queue # 导入 Queue 模块，用于使用队列数据结构
import threading # 导入 threading 模块，用于多线程编程
import time # 导入 time 模块，用于时间相关操作

# 定义函数，用于向队列中存值
def set_value(q):
    num = 0
    while True:
        # 将值放入队列
        q.put(num)
        # 值自增
        num += 1
        # 线程休眠0.5秒
        time.sleep(0.5)

# 定义函数，用于从队列中获取值并打印
def get_value(q):
    while True:
        # 从队列中获取值并打印
        print(q.get())

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    # 创建一个大小为4的队列对象
    q = Queue(4)
    # 创建一个子线程，调用 set_value 函数，用于存值
    t1 = threading.Thread(target=set_value, args=(q,))
    # 创建一个子线程，调用 get_value 函数，用于取值
    t2 = threading.Thread(target=get_value, args=(q,))
    # 启动线程 t1
    t1.start()
    # 启动线程 t2
    t2.start()

九、案例

目标网站：https://qq.yh31.com/zjbq/List_48.html

需求：爬取表情包图片，并且将图片保存到文件夹中

1、单线程实现

页面分析

1、数据有多页，先获取第一页数据

2、确定 url，判断是静态加载还是动态加载

静态加载 url：https://qq.yh31.com/zjbq/List_48.html

3、解析数据

先获取到所有的 img 标签

循环遍历获取每一组的数据

4、获取翻页数据，观察 url 变化的规律

第一页：https://qq.yh31.com/zjbq/List_48.html

第二页：https://qq.yh31.com/zjbq/List_47.html

第三页：https://qq.yh31.com/zjbq/List_46.html

代码实现

import requests # 导入 requests 模块，用于发送网络请求
from lxml import etree # 导入 lxml 库中的 etree 模块，用于解析 HTML
import re # 导入 re 模块，用于正则表达式匹配

# 定义函数，用于下载图片
def download_img():
    # 请求头
    head = {
        'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/113.0.0.0 Safari/537.36'
    }
    # 获取5页数据
    for i in range(48, 43, -1):
        # 目标 url
        url = f'https://qq.yh31.com/zjbq/List_{i}.html'
        # 发送 get 请求，获取响应对象
        res = requests.get(url, headers=head)
        # 设置响应编码为 utf-8
        res.encoding = 'utf-8'
        # 打印响应内容
        # print(res.text)
        # 解析响应内容
        html = etree.HTML(res.text)
        # 获取所有的 img 标签
        images = html.xpath('//div[@class="zj_tp"]/a/img')
        # 遍历循环每一个 img 标签
        for img in images:
            # 获取图片 url
            img_url = img.xpath('@src')[0]
            # 获取图片标题
            img_title = img.xpath('@alt')[0]
            # 使用正则表达式替换标题中的特殊字符
            title = re.sub(r'[<>:？.()/\\]', '', img_title)
            # 打印图片 url 和标题
            # print(img_url, img_title)
            # 发送 get 请求，获取图片响应
            res = requests.get(img_url, headers=head)
            # 打开文件，将图片内容写入到文件中
            with open(f'pictures/{title}.jpg', 'wb') as f:
                f.write(res.content)
            print(f'{title}正在下载')

# 调用下载图片的函数
download_img()

2、多线程实现

页面分析

用生产者与消费者下载表情包

一个是生产数据类，一个是下载数据类

队列只是一个容器

代码实现

import requests # 导入 requests 库，用于发送 HTTP 请求
from lxml import etree # 导入 lxml 库，用于解析 HTML
import re # 导入 re 库，用于正则表达式操作
import threading # 导入 threading 库，用于多线程编程
from queue import Queue # 导入 Queue 类，用于创建队列

# 请求头
head = {
    'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/113.0.0.0 Safari/537.36'
}

# 生产者类，用于获取图片链接
class Producer(threading.Thread):
    # 初始化方法
    def __init__(self, page_queue, img_queue):
        # 必须要执行父类当中的 init 方法完成初始化
        super().__init__()
        # 设置页码队列属性
        self.page_queue = page_queue
        # 设置图片队列属性
        self.img_queue = img_queue

    # 重写 run 方法
    def run(self):
        # 循环取队列里面的数据，直到队列数据为空
        while True:
            # 如果页码队列为空
            if self.page_queue.empty():
                # 退出循环
                break
            # 从页码队列中获取 url
            url = self.page_queue.get()
            # 打印 url
            # print(url)
            # 调用 parse_html 方法解析页面
            self.parse_html(url)

    # 定义解析页面的方法
    def parse_html(self, url):
        # 发送 get 请求，获取响应对象
        res = requests.get(url, headers=head)
        # 设置响应编码为 utf-8
        res.encoding = 'utf-8'
        # 打印响应内容
        # print(res.text)
        # 解析响应内容
        html = etree.HTML(res.text)
        # 获取所有的 img 标签
        images = html.xpath('//div[@class="zj_tp"]/a/img')
        # 遍历循环每一个 img 标签
        for img in images:
            # 获取图片 url
            img_url = img.xpath('@src')[0]
            # 获取图片标题
            img_title = img.xpath('@alt')[0]
            # 使用正则表达式替换标题中的特殊字符
            title = re.sub(r'[<>:？.()/\\]', '', img_title)
            # 将图片 url 和标题作为元组放入图片队列中
            self.img_queue.put((img_url, title))
            # 打印图片队列的大小
            # print(self.img_queue.qsize())

# 消费者类，用于下载图片
class consumer(threading.Thread):
    # 初始化方法
    def __init__(self, img_queue):
        # 必须要执行父类当中的 init 方法完成初始化
        super().__init__()
        # 设置图片队列属性
        self.img_queue = img_queue

    # 重写 run 方法
    def run(self):
        # 循环取队列里面的数据，直到队列数据为空
        while True:
            # 打印图片队列的大小
            print(self.img_queue.qsize())
            # # 如果图片队列为空
            # if self.img_queue.empty():
            #     # 退出循环
            #     break
            # 从图片队列中获取图片数据
            img_data = self.img_queue.get()
            # 将图片数据解包为 url 和标题
            url, title = img_data
            # 发送 get 请求，获取图片响应
            res = requests.get(url, headers=head)
            # 打开文件，将图片内容写入到文件中
            with open(f'pictures/{title}.jpg', 'wb') as f:
                f.write(res.content)
            print(f'{title}正在下载')

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    # 存放 url 的队列
    page_queue = Queue()
    # 创建图片队列
    img_queue = Queue()
    # 循环页码
    for i in range(48, 43, -1):
        # 创建 url
        url = f'https://qq.yh31.com/zjbq/List_{i}.html'
        # url 放入页码队列
        page_queue.put(url)

    # 创建空列表
    lst = []

    # 创建生产者
    for i in range(3):
        # 将存放的 url 队列传递给生产者
        t = Producer(page_queue, img_queue)
        # 开启线程
        t.start()
        # 添加线程到列表
        lst.append(t)
    # # join：等子线程结束了才会执行主线程的代码
    # # 加 join 是生产完了再下载，不加是边生产边下载
    # # 如消费者 run 方法里判断图片队列为空，就需要加 join
    # for i in lst:
    #     i.join()

    # 创建消费者
    for i in range(3):
        # 将图片队列传递给消费者
        t1 = consumer(img_queue)
        # 开启线程
        t1.start()

十、作业

目标网站：https://www.fabiaoqing.com/biaoqing/lists/page/1.html

需求：爬取表情包图片，并且将图片保存到文件夹中

import requests # 导入 requests 库，用于发送 HTTP 请求
from lxml import etree # 导入 lxml 库，用于解析 HTML
import re # 导入 re 库，用于正则表达式操作
import threading # 导入 threading 库，用于多线程编程
from queue import Queue # 导入 Queue 类，用于创建队列

# 请求头
head = {
    'Referer':'https://www.fabiaoqing.com/',
    'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/113.0.0.0 Safari/537.36'
}

# 生产者类，用于获取图片链接
class Producer(threading.Thread):
    # 初始化方法
    def __init__(self, page_queue, img_queue):
        # 必须要执行父类当中的 init 方法完成初始化
        super().__init__()
        # 设置页码队列属性
        self.page_queue = page_queue
        # 设置图片队列属性
        self.img_queue = img_queue

    # 重写 run 方法
    def run(self):
        # 循环取队列里面的数据，直到队列数据为空
        while True:
            # 如果页码队列为空
            if self.page_queue.empty():
                # 退出循环
                break
            # 从页码队列中获取 url
            url = self.page_queue.get()
            # 打印 url
            # print(url)
            # 调用 parse_html 方法解析页面
            self.parse_html(url)

    # 定义解析页面的方法
    def parse_html(self, url):
        # 发送 get 请求，获取响应对象
        res = requests.get(url, headers=head)
        # 设置响应编码为 utf-8
        res.encoding = 'utf-8'
        # 打印响应内容
        # print(res.text)
        # 解析响应内容
        html = etree.HTML(res.text)
        # 获取所有的 img 标签
        images = html.xpath('//div[@class="tagbqppdiv"]/a/img')
        # 遍历循环每一个 img 标签
        for img in images:
            # 获取图片 url
            img_url = img.xpath('@data-original')[0]
            # 获取图片标题
            img_title = img.xpath('@alt')[0]
            # 使用正则表达式替换标题中的特殊字符
            title = re.sub(r'[<>:？.()/\\]', '', img_title)
            # 将图片 url 和标题作为元组放入图片队列中
            self.img_queue.put((img_url, title))
            # 打印图片队列的大小
            # print(self.img_queue.qsize())

# 消费者类，用于下载图片
class consumer(threading.Thread):
    # 初始化方法
    def __init__(self, img_queue):
        # 必须要执行父类当中的 init 方法完成初始化
        super().__init__()
        # 设置图片队列属性
        self.img_queue = img_queue

    # 重写 run 方法
    def run(self):
        # 循环取队列里面的数据，直到队列数据为空
        while True:
            # 打印图片队列的大小
            print(self.img_queue.qsize())
            # # 如果图片队列为空
            # if self.img_queue.empty():
            #     # 退出循环
            #     break
            # 从图片队列中获取图片数据
            img_data = self.img_queue.get()
            # 将图片数据解包为 url 和标题
            url, title = img_data
            # 发送 get 请求，获取图片响应
            res = requests.get(url, headers=head)
            # 打开文件，将图片内容写入到文件中
            with open(f'pictures/{title}.jpg', 'wb') as f:
                f.write(res.content)
            print(f'{title}正在下载')

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    # 存放 url 的队列
    page_queue = Queue()
    # 创建图片队列
    img_queue = Queue()
    # 循环页码
    for i in range(1, 5, 1):
        # 创建 url
        url = f'https://www.fabiaoqing.com/biaoqing/lists/page/{i}.html'
        # url 放入页码队列
        page_queue.put(url)

    # 创建空列表
    lst = []

    # 创建生产者
    for i in range(3):
        # 将存放的 url 队列传递给生产者
        t = Producer(page_queue, img_queue)
        # 开启线程
        t.start()
        # 添加线程到列表
        lst.append(t)
    # # join：等子线程结束了才会执行主线程的代码
    # # 加 join 是生产完了再下载，不加是边生产边下载
    # # 如消费者 run 方法里判断图片队列为空，就需要加 join
    # for i in lst:
    #     i.join()

    # 创建消费者
    for i in range(3):
        # 将图片队列传递给消费者
        t1 = consumer(img_queue)
        # 开启线程
        t1.start()