Pythonスレッドプールの実装 threadpool

この記事では主に Python スレッド プール threadpool の実装について詳しく紹介します。興味のある方は参考にしてください。

この記事では、threadpool のすべての操作を参考にしてください。具体的な内容は次のとおりです。まず、私が使用する名詞を紹介します。

Worker: スレッド プールを作成するときに、指定されたスレッド数に従ってワーカー スレッドを作成し、タスク キューからタスクを取得するのを待ちます。ワーカー スレッドによって処理されるタスク。数千のタスクが存在する可能性がありますが、ワーカー スレッドはわずかです。タスクは makeRequest を通じて作成されます

タスク キュー (request_queue): タスクを格納するためのキュー。queue を使用して実装されます。ワーカースレッドはタスクキューからタスクを取得して処理します。

タスク処理関数(callable): ワーカースレッドはタスクを取得した後、タスク処理関数(request.callable_)を呼び出してタスクを具体的に処理し、処理を返します。 result;

タスク結果キュー (result_queue): タスクの処理が完了すると、返された処理結果がタスク結果キューに入れられます (例外を含む)

タスク例外処理関数またはコールバック (exc_callback): から取得します。タスク結果キュー その結果、例外が設定された場合、例外を処理するために例外コールバックを呼び出す必要があります。

タスク結果コールバック (コールバック): タスク結果キューから結果を取得し、結果をさらに処理します。前のセクションではスレッド プール threadpool のインストールと使用方法を紹介しましたが、このセクションでは主にスレッド プールの作業の主なプロセスを紹介します:

(1) スレッド プールの作成

(2) ワーカー スレッドの開始

(3) スレッド プールの作成タスク

(4) スレッドプールへのタスクのプッシュ
(5) スレッド処理タスク

(6) タスク終了処理

(7) ワーカースレッドの終了


以下はスレッドプールの定義です:

class ThreadPool: 
  """A thread pool, distributing work requests and collecting results. 
 
  See the module docstring for more information. 
 
  """ 
  def __init__(self, num_workers, q_size=0, resq_size=0, poll_timeout=5): 
    pass 
  def createWorkers(self, num_workers, poll_timeout=5): 
    pass 
  def dismissWorkers(self, num_workers, do_join=False): 
    pass 
  def joinAllDismissedWorkers(self): 
    pass 
  def putRequest(self, request, block=True, timeout=None): 
    pass 
  def poll(self, block=False): 
    pass 
  def wait(self): 
    pass

1. スレッドプール(ThreadPool(args))の作成

task_pool=threadpool.ThreadPool(num_works)

task_pool=threadpool.ThreadPool(num_works) 
  def __init__(self, num_workers, q_size=0, resq_size=0, poll_timeout=5): 
    """Set up the thread pool and start num_workers worker threads. 
 
    ``num_workers`` is the number of worker threads to start initially. 
 
    If ``q_size > 0`` the size of the work *request queue* is limited and 
    the thread pool blocks when the queue is full and it tries to put 
    more work requests in it (see ``putRequest`` method), unless you also 
    use a positive ``timeout`` value for ``putRequest``. 
 
    If ``resq_size > 0`` the size of the *results queue* is limited and the 
    worker threads will block when the queue is full and they try to put 
    new results in it. 
 
    .. warning: 
      If you set both ``q_size`` and ``resq_size`` to ``!= 0`` there is 
      the possibilty of a deadlock, when the results queue is not pulled 
      regularly and too many jobs are put in the work requests queue. 
      To prevent this, always set ``timeout > 0`` when calling 
      ``ThreadPool.putRequest()`` and catch ``Queue.Full`` exceptions. 
 
    """ 
    self._requests_queue = Queue.Queue(q_size)#任务队列，通过threadpool.makeReuests(args)创建的任务都会放到此队列中 
    self._results_queue = Queue.Queue(resq_size)#字典，任务对应的任务执行结果</span> 
    self.workers = []#工作线程list，通过self.createWorkers()函数内创建的工作线程会放到此工作线程list中 
    self.dismissedWorkers = []#被设置线程事件并且没有被join的工作线程 
    self.workRequests = {}#字典，记录任务被分配到哪个工作线程中</span> 
    self.createWorkers(num_workers, poll_timeout)

その中で、初期化パラメータは次のとおりです:

num_works: スレッドの数スレッドプール

q_size: タスクキューの長さ制限。キューの長さが制限されている場合、タスクを追加するために putRequest() が呼び出されるとき、制限長に達した後も、putRequest はタスクの追加を試行し続けます。タイムアウトまたはブロックは putRequest() で設定されます。

esq_size: タスク結果キューの長さ;

pool_timeout: ワーカー スレッドがリクエスト キューからリクエストを読み取れない場合、pool_timeout はブロックされます。

そのうちのメンバー変数:

self._requests_queue: threadpool.makeReuests(args) を介してタスクキューに配置されます。
self._results_queue: ディクショナリ、タスクの実行に対応します。タスク
self.workers: ワーカー スレッド リスト。self.createWorkers() 関数によって作成されたワーカー スレッドは、このワーカー スレッド リストに配置されます。 Medium;

self.dismisssedWorkers: スレッド イベントが設定され、ワー​​カー スレッドは結合されません

self.workRequests: スレッド プールにプッシュされたタスクを記録するディクショナリ。構造は requestID:request です。 requestID はタスクの一意の識別子です。これについては後で説明します。

2. ワーカースレッドの起動(self.createWorks(args))


関数定義: WorkerThread()はPythonの組み込みスレッドクラスであるthreadを継承し、 WorkerThread オブジェクトが作成され、それを self.workers キューに入れます。 WorkerThread クラスの定義を見てみましょう。

self.__init__(args):

def createWorkers(self, num_workers, poll_timeout=5): 
   """Add num_workers worker threads to the pool. 
 
   ``poll_timout`` sets the interval in seconds (int or float) for how 
   ofte threads should check whether they are dismissed, while waiting for 
   requests. 
 
   """ 
   for i in range(num_workers): 
     self.workers.append(WorkerThread(self._requests_queue, 
       self._results_queue, poll_timeout=poll_timeout))

初期化時の変数:

self._request_queue: タスクキュー

self。 _resutls_queuqe,: タスク結果キュー;
self._pool_timeout: 実行関数でタスクキューからタスクを取得するときのタイムアウト。 while(true); スレッドイベントの場合。が設定されている場合、run は Break を実行して直接終了します。

最後に self.start() を呼び出してスレッドを開始します。

上記の run 関数の実行手順は次のとおりです。

(1) self._dismissed が設定されている場合は、作業スレッドを終了します。そうでない場合は、ステップ 2 を実行します。

(2) タスク キュー self._requests_queue からのタスクの取得を試みます。キューが空の場合は、実行を続けます。次の while ループ、そうでない場合はステップ 3 を実行します
(3) このワーカー スレッド イベントが設定されているかどうかを確認します。設定されている場合、このワーカー スレッドを終了するには、フェッチしたタスクをタスク キューに戻し、スレッドを終了する必要があります。スレッドイベントが設定されていない場合、タスク処理関数 request.callable が実行され、返された結果がタスク結果キューにプッシュされます。タスク処理関数で例外が発生した場合、例外はキューにプッシュされます。最後にステップ 4

(4) にジャンプしてループを続け、1 に戻ります

到此工作线程创建完毕，根据设置的线程池线程数量，创建工作线程，工作线程从任务队列中get任务，进行任务处理，并将任务处理结果压入到任务结果队列中。

3、任务的创建（makeRequests）

任务的创建函数为threadpool.makeRequests(callable_,args_list,callback=None):

# utility functions 
def makeRequests(callable_, args_list, callback=None, 
    exc_callback=_handle_thread_exception): 
  """Create several work requests for same callable with different arguments. 
 
  Convenience function for creating several work requests for the same 
  callable where each invocation of the callable receives different values 
  for its arguments. 
 
  ``args_list`` contains the parameters for each invocation of callable. 
  Each item in ``args_list`` should be either a 2-item tuple of the list of 
  positional arguments and a dictionary of keyword arguments or a single, 
  non-tuple argument. 
 
  See docstring for ``WorkRequest`` for info on ``callback`` and 
  ``exc_callback``. 
 
  """ 
  requests = [] 
  for item in args_list: 
    if isinstance(item, tuple): 
      requests.append( 
        WorkRequest(callable_, item[0], item[1], callback=callback, 
          exc_callback=exc_callback) 
      ) 
    else: 
      requests.append( 
        WorkRequest(callable_, [item], None, callback=callback, 
          exc_callback=exc_callback) 
      ) 
  return requests

其中创建任务的函数参数具体意义为下：

callable_：注册的任务处理函数，当任务被放到任务队列后，工作线程中获取到该任务的线程，会执行此 callable_

args_list：首先args_list是列表，列表元素类型为元组，元组中有两个元素item[0]，item[1]，item[0]为位置参 数，item[1]为字典类型关键字参数。列表中元组的个数，代表启动的任务个数，在使用的时候一般都为单个元组，即一个makerequest()创建一个任务。

callback：回调函数，在poll函数中调用（后面讲解此函数），callable_调用结束后，会就任务结果放入到任务结果队列中（self._resutls_queue），在poll函数中，当从self._resutls_queue队列中get某个结果后，会执行此callback(request,result),其中result是request任务返回的结果。

exc_callback：异常回调函数，在poll函数中，如果某个request对应有执行异常，那么会调用此异常回调。

创建完成任务后，返回创建的任务。

外层记录此任务，放入到任务列表中。

上面是创建任务的函数，下面讲解任务对象的结构：

class WorkRequest: 
  """A request to execute a callable for putting in the request queue later. 
 
  See the module function ``makeRequests`` for the common case 
  where you want to build several ``WorkRequest`` objects for the same 
  callable but with different arguments for each call. 
 
  """ 
 
  def __init__(self, callable_, args=None, kwds=None, requestID=None, 
      callback=None, exc_callback=_handle_thread_exception): 
    """Create a work request for a callable and attach callbacks. 
 
    A work request consists of the a callable to be executed by a 
    worker thread, a list of positional arguments, a dictionary 
    of keyword arguments. 
 
    A ``callback`` function can be specified, that is called when the 
    results of the request are picked up from the result queue. It must 
    accept two anonymous arguments, the ``WorkRequest`` object and the 
    results of the callable, in that order. If you want to pass additional 
    information to the callback, just stick it on the request object. 
 
    You can also give custom callback for when an exception occurs with 
    the ``exc_callback`` keyword parameter. It should also accept two 
    anonymous arguments, the ``WorkRequest`` and a tuple with the exception 
    details as returned by ``sys.exc_info()``. The default implementation 
    of this callback just prints the exception info via 
    ``traceback.print_exception``. If you want no exception handler 
    callback, just pass in ``None``. 
 
    ``requestID``, if given, must be hashable since it is used by 
    ``ThreadPool`` object to store the results of that work request in a 
    dictionary. It defaults to the return value of ``id(self)``. 
 
    """ 
    if requestID is None: 
      self.requestID = id(self) 
    else: 
      try: 
        self.requestID = hash(requestID) 
      except TypeError: 
        raise TypeError("requestID must be hashable.") 
    self.exception = False 
    self.callback = callback 
    self.exc_callback = exc_callback 
    self.callable = callable_ 
    self.args = args or [] 
    self.kwds = kwds or {} 
 
  def __str__(self): 
    return "<WorkRequest id=%s args=%r kwargs=%r exception=%s>" % \ 
      (self.requestID, self.args, self.kwds, self.exception)

上面self.callback 以及self.exc_callback，和self.callable_ ,args,dwds都已经讲解，就不在啰嗦了。
其中有一个任务的全局唯一标识，即self.requestID,通过获取自身内存首地址作为自己的唯一标识id(self)
self.exception 初始化为False,如果执行self.callable()过程中出现异常，那么此变量会标设置为True。

至此，任务创建完毕，调用makeRequests（）的上层记录有任务列表request_list.

4、任务的推送到线程池（putRequest）

上面小节中介绍了任务的创建，任务的个数可以成千上百，但是处理任务的线程数量只有我们在创建线程池的时候制定的线程数量来处理，指定的线程数量往往比任务的数量小得多，因此，每个线程必须处理多个任务。

本节介绍如何将创建的任务推送的线程池中，以让线程池由阻塞状态，获取任务，然后去处理任务。
任务的推送使用ThreadPool线程池类中的putRequest（self,request,block,timeout）来创建：

def putRequest(self, request, block=True, timeout=None): 
  """Put work request into work queue and save its id for later.""" 
  assert isinstance(request, WorkRequest) 
  # don't reuse old work requests 
  assert not getattr(request, 'exception', None) 
  self._requests_queue.put(request, block, timeout) 
  self.workRequests[request.requestID] = request

函数的主要作用就是将request任务，也就是上一小节中创建的任务，put到线程池的任务队列中（self._request_queue）。然后记录已经推送到线程池的任务，通过线程池的self.workReuests 字典来存储，结构为request.requestID:request。

至此，任务创建完成，并且已经将任务推送到线程池中。

5、线程处理任务

通过上一小节，任务已经推送到了线程中。在任务没有被推送到线程池中时，线程池中的线程都处在处在阻塞状态中，即在线程的self.run（）函数中，一直处于一下状态：

try: 
  request = self._requests_queue.get(True, self._poll_timeout) 
except Queue.Empty:#尝从任务 队列self._requests_queue 中get任务，如果队列为空，则continue 
  continue

现在任务已经推送到线程池中，那么get任务将会正常返回，会执行下面的步骤：

def run(self): 
    """Repeatedly process the job queue until told to exit.""" 
    while True: 
      if self._dismissed.isSet():#如果设置了self._dismissed则退出工作线程 
 
        # we are dismissed, break out of loop 
        break 
      # get next work request. If we don't get a new request from the 
      # queue after self._poll_timout seconds, we jump to the start of 
      # the while loop again, to give the thread a chance to exit. 
      try: 
        request = self._requests_queue.get(True, self._poll_timeout) 
      except Queue.Empty:#尝从任务 队列self._requests_queue 中get任务，如果队列为空，则continue 
        continue 
      else: 
        if self._dismissed.isSet():#检测此工作线程事件是否被set,如果被设置，意味着要结束此工作线程，那么就需要将取到的任务返回到任务队列中，并且退出线程 
          # we are dismissed, put back request in queue and exit loop 
          self._requests_queue.put(request) 
          break 
        try:#如果线程事件没有被设置，那么执行任务处理函数request.callable，并将返回的result，压入到任务结果队列中 
          result = request.callable(*request.args, **request.kwds) 
          self._results_queue.put((request, result)) 
        except: 
          request.exception = True 
          self._results_queue.put((request, sys.exc_info()))#如果任务处理函数出现异常，则将异常压入到队列中

获取任务--->调用任务的处理函数callable()处理任务--->将任务request以及任务返回的结果压入到self.results_queue队列中---->如果任务处理函数异常，那么将任务异常标识设置为True,并将任务request以及任务异常压入到self.results_queue队列中---->再次返回获取任务

如果，在while循环过程中，外部设置了线程事件，即self._dismissed.isSet为True,那么意味着此线程将会结束处理任务，那么会将get到的任务返回的任务队列中，并且退出线程。

6、任务结束处理

上面小节中，介绍了线程池不断的get任务，并且不断的处理任务。那么每个任务结束之后我们该怎么处理呢，线程池提供了wait（）以及poll（）函数。

当我们把任务提交个线程池之后，我们会调用wait（）来等待任务处理结束，结束后wait()将会返回，返回后我们可以进行下一步操作，例如重新创建任务，将任务继续推送到线程池中，或者结束线程池。结束线程池会在下一小节介绍，这一小节主要介绍wait()和poll（）操作。

先来看看wait()操作：

def wait(self): 
  """Wait for results, blocking until all have arrived.""" 
  while 1: 
    try: 
      self.poll(True) 
    except NoResultsPending: 
      break

等待任务处理结束，在所有任务处理完成之前一直处于block阶段，如果self.poll()返回异常NoResultsPending异常，然后wait返回，任务处理结束。
下面看看poll函数：

def poll(self, block=False): 
  """Process any new results in the queue.""" 
  while True: 
    # still results pending? 
    if not self.workRequests: 
      raise NoResultsPending 
    # are there still workers to process remaining requests? 
    elif block and not self.workers: 
      raise NoWorkersAvailable 
    try: 
      # get back next results 
      request, result = self._results_queue.get(block=block) 
      # has an exception occured? 
      if request.exception and request.exc_callback: 
        request.exc_callback(request, result) 
      # hand results to callback, if any 
      if request.callback and not \ 
          (request.exception and request.exc_callback): 
        request.callback(request, result) 
      del self.workRequests[request.requestID] 
    except Queue.Empty: 
      break

（1）首先，检测任务字典（{request.requestID:request}）是否为空，如果为空则抛出异常NoResultPending结束，否则到第2步；

（2）检测工作线程是否为空（如果某个线程的线程事件被设置，那么工作线程退出，并从self.workers中pop出），如果为空则抛出NoWorkerAvailable异常结束，否则进入第3步；

（3）从任务结果队列中get任务结果，如果抛出队列为空，那么break,返回，否则进入第4步；

（4）如果任务处理过程中出现异常，即设置了request.exception，并且设置了异常处理回调即request.exc_callback则执行异常回调，再回调中处理异常，返回后将任务从任务列表self.workRequests中移除，继续get任务，返回第1步。否则进入第5步；

（5）如果设置了任务结果回调即request.callback不为空，则执行任务结果回调即request.callbacl(request,result),并
将任务从任务列表self.workRequests中移除，继续get任务，返回第1步。

（6）重复进行上面的步骤直到抛出异常，或者任务队列为空，则poll返会；

至此抛出NoResultPending wait操作接受此异常后，至此wait()返回。

7、工作线程的退出

threadpool提供的工作线程退出的的操作有dismissWorkers()和joinAllDismissedWorker()操作：

def dismissWorkers(self, num_workers, do_join=False): 
  """Tell num_workers worker threads to quit after their current task.""" 
  dismiss_list = [] 
  for i in range(min(num_workers, len(self.workers))): 
    worker = self.workers.pop() 
    worker.dismiss() 
    dismiss_list.append(worker) 
 
  if do_join: 
    for worker in dismiss_list: 
      worker.join() 
  else: 
    self.dismissedWorkers.extend(dismiss_list) 
 
def joinAllDismissedWorkers(self): 
  """Perform Thread.join() on all worker threads that have been dismissed. 
  """ 
  for worker in self.dismissedWorkers: 
    worker.join() 
  self.dismissedWorkers = []

从dismissWorkers可看出，主要工作是从self.workers 工作线程中pop出指定的线程数量，并且设置此线程的线程事件，设置线程事件后，此线程self.run()函数，则会检测到此设置，并结束线程。

如果设置了在do_join，即设置了在此函数中join退出的线程，那么对退出的线程执行join操作。否则将pop出的线程放入到self.dismissedWorkers中，以等待joinAllDismissedWorkers操作去处理join线程。

8、总结

到此为止，threadpool线程池中所有的操作介绍完毕，其实现也做了具体的介绍。从上面可看出，线程池并没有那么复杂，只有几个简单的操作，主要是了解整个处理流程即可。

希望大家多多提出建议和意见。

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以上がPythonスレッドプールの実装 threadpoolの詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。