【第七节】python多线程及网络编程

目录

一、python多线程

1.1 多线程的作用

1.2 python中的 threading 模块

1.3 线程锁

二、python网络编程

2.1 通过socket访问网络

2.2 python2.x中的编码问题

2.3 python3的编码问题

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一、python多线程

1.1 多线程的作用

多线程技术在计算机编程中扮演着重要的角色，它主要有以下几个作用：

        1. **提高程序的响应性**：在单线程程序中，如果某个操作需要较长时间，比如读取大文件或进行复杂计算，整个程序会在这段时间内无法响应用户的其他操作。而多线程允许程序在执行耗时操作的同时，其他线程可以继续响应用户输入，从而提高程序的响应速度和用户体验。

        2. **提高资源利用率**：现代计算机通常有多个处理器或核心。多线程允许程序同时运行在多个处理器上，从而更充分地利用系统资源，提高处理速度和效率。

        3. **简化程序结构**：通过将复杂的任务分解为多个并行的线程，可以使程序的逻辑更加清晰和模块化。每个线程负责一部分任务，便于管理和维护。

        4. **实现并发操作**：在某些应用场景中，需要同时进行多个独立的任务，如服务器处理多个客户端请求、图形界面同时响应用户输入和后台数据处理等。多线程使得这些并发操作成为可能。

        5. **提高执行效率**：对于可以并行执行的任务，多线程可以显著减少总的执行时间。例如，在数据处理、图像渲染、科学计算等领域，多线程可以大幅提升处理速度。

        然而，多线程编程也带来了一些挑战，如线程同步问题、死锁风险、资源竞争等，需要开发者仔细设计和实现，以确保程序的正确性和稳定性。

1.2 python中的 threading 模块

        Python中用于多线程编程的内置模块是 `threading`。下面我将详细解释如何使用 `threading` 模块来启动多线程。

### 使用 `threading` 模块启动多线程

1. **导入 `threading` 模块**：

import threading

2. **定义线程函数**：
   这个函数将作为新线程的入口点。

   def my_thread_function(arg1, arg2):# 线程执行的代码print(f"Thread is running with arguments: {arg1}, {arg2}")

3. **创建 `Thread` 对象**：
   在创建 `Thread` 对象时，可以传入线程函数和参数。

thread = threading.Thread(target=my_thread_function, args=("hello", "world"))

4. **启动线程**：
   调用 `start()` 方法启动线程。

thread.start()

5. **等待线程完成（可选）**：
   如果需要等待线程执行完毕，可以调用 `join()` 方法。

thread.join()

### 完整示例

以下是一个完整的示例，展示了如何使用 `threading` 模块创建和启动多个线程：

import threadingdef my_thread_function(arg1, arg2):print(f"Thread {threading.current_thread().name} is running with arguments: {arg1}, {arg2}")# 创建多个线程
threads = []
for i in range(5):thread = threading.Thread(target=my_thread_function, args=(f"hello_{i}", f"world_{i}"))threads.append(thread)thread.start()# 等待所有线程完成
for thread in threads:thread.join()print("All threads have finished.")

        在这个示例中，我们创建了5个线程，每个线程执行 `my_thread_function` 函数，并传递不同的参数。最后，我们使用 `join()` 方法确保主线程等待所有子线程完成后再继续执行。

        通过这种方式，您可以利用 `threading` 模块在Python中实现多线程编程，从而提高程序的并发性和响应性。

1.3 线程锁

        在多线程编程中，所有线程共享代码和数据资源。这种共享性带来了一个主要风险：多个线程可能同时访问和修改同一个变量，导致不可预期的结果。为了解决这一问题，大多数编程语言提供了锁机制来确保线程安全。

### 问题代码示例

import threadingg_Num = 0def threadProc():global g_Numfor i in range(1000000):g_Num = g_Num + 1  # 修改数据thread1 = threading.Thread(name="hello1", target=threadProc)
thread2 = threading.Thread(name="hello2", target=threadProc)
thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()print(g_Num)

        在这个示例中，两个线程同时对 `g_Num` 进行递增操作，导致最终打印出来的数字不可预期。

### 使用锁机制解决问题

        为了确保线程安全，可以使用锁来保护对 `g_Num` 的访问。以下是修正后的代码：
 

import threadinglock = threading.Lock()
g_Num = 0def threadProc():global g_Numfor i in range(1000000):lock.acquire()  # 获取锁g_Num = g_Num + 1  # 修改数据lock.release()  # 释放锁thread1 = threading.Thread(name="hello1", target=threadProc)
thread2 = threading.Thread(name="hello2", target=threadProc)
thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()print(g_Num)

        通过使用锁，我们确保在任何时刻只有一个线程能够进入锁定范围并修改 `g_Num`，从而避免了竞态条件，确保最终结果的可预期性。

二、python网络编程

2.1 通过socket访问网络

Python 提供了两种不同层次的网络服务接口：

        1. **低级网络服务**：这一层支持基本的 Socket 功能，它实现了标准的 BSD Sockets API，允许开发者访问底层操作系统 Socket 接口的所有方法，从而进行更底层的网络操作。

        2. **高级网络服务**：这一层包含模块 SocketServer，它提供了一系列服务器中心类，旨在简化网络服务器的开发过程，使得开发者能够更快速地构建网络应用。

**什么是 Socket？**

        Socket，又称为“套接字”，是应用程序用于网络通信的一种抽象。通过 Socket，应用程序可以发送请求或响应网络请求，实现不同主机间或同一台计算机上不同进程间的通信。Socket 是网络编程的基础，它封装了复杂的网络通信细节，使得开发者能够更容易地编写网络应用程序。

socket()函数

Python 中，我们用 socket（）函数来创建套接字，语法格式如下：

socket.socket([family[, type[, proto]]])

参数

• family: 套接字家族可以使 AF_UNIX 或者 AF_INET。
• type: 套接字类型可以根据是面向连接的还是非连接分为 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。
• protocol: 一般不填默认为 0。

Socket 对象(内建)方法

简单示例如下：

服务端代码：

# 导入 socket 模块
import socketdef main():print("~~~~~服务端启动~~~~~")# 1. 创建 socketsSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 2. 绑定sSock.bind(('192.168.1.125', 1234))  # IP地址 可用本地IP测试: 127.0.0.1# 3. 监听sSock.listen(5)# 4. 处理连接cSock, addr = sSock.accept()print("客户端连接成功")cSock.send(str('欢迎:').encode('utf-8'))# 5、6 发送、接收数据while True:print(cSock.recv(1024).decode('utf-8'))inStr = input('>>>: ')if inStr == 'quit':breakcSock.send(str(inStr).encode('utf-8'))# 7. 关闭套接字cSock.close()sSock.close()if __name__ == "__main__":main()

客户端代码：

# 导入 socket 模块
import socketdef main():print("~~~~~客户端启动~~~~~")# 1. 创建 socketcSock = socket.socket()# 2. 连接服务器host = '192.168.1.125'  # IP地址 可用本地IP测试: 127.0.0.1port = 1234  # 设置端口号cSock.connect((host, port))# 3、4 发送、接收数据while True:print(cSock.recv(1024).decode('utf-8'))inStr = input('>: ')if inStr == 'quit':breakcSock.send(str(inStr).encode('utf-8'))# 5. 关闭套接字cSock.close()if __name__ == "__main__":main()

2.2 python2.x中的编码问题

        在Python 2.x版本中，存在两个主要的字符串类：`unicode` 和 `str`，它们都继承自 `basestring`。

        `str` 类是带编码的，默认情况下使用 ASCII 编码。因此，如果你的程序中包含中文字符串，默认情况下会报错。可以通过设置Python 2中的字符默认编码来解决这个问题。

  # coding:utf-8   # 默认使用UTF-8编码# coding:gbk     # 默认使用GBK编码

        `unicode` 类是不带编码的，用于表示已知文明中的任何一个字符。需要注意的是，`unicode` 并不是一种编码方式。
  示例：

  ul = u"中国"  # 字符串 unicode类型print ul      # 输出: u'\u4e2d\u56fd'print len(ul) # 输出: 2u2 = u'hello'print u2      # 输出: u'hello'print len(u2) # 输出: 5sl = "中国"   # str 类型，字节串print sl      # 输出: '\xd6\xd0\xb9\xfa'（中文 GBK 编码，控制台不指定中文默认 GBK）print len(sl) # 输出: 4s2 = "hello"print s2      # 输出: 'hello'print len(s2) # 输出: 5

在Python 2中，可以在字符串和字节串之间进行转换：
- `encode`：将字符串按指定方式进行编码，转换成字节流（`str`），存放在内存中。
- `decode`：将字节流按指定方式进行解码，转换成字符串（`unicode`），用于显示。

可以使用 `chardet` 模块来判断字节流的编码：

import chardet
raw = u'12AB好'
print chardet.detect(raw.encode('utf-8'))  # 输出: {'encoding': 'utf-8', 'confidence': 0.99}
print chardet.detect(raw.encode('gbk'))    # 输出: {'encoding': 'GB2312', 'confidence': 0.99}

        在C++中，多字节集通常是GBK编码，而宽字节集是UTF-16编码。字符使用哪种方式进行编码，就应该使用哪种方式进行解码。以下是几种常见情况：
1. C++端发送过来的是GBK编码，我们需要显示，那么应该使用 `decode("GBK")` 转换成 `unicode` 便于显示。
2. C++端发送过来的是UTF-16编码，我们需要显示，那么应该使用 `decode("UTF-16")` 转换成 `unicode` 便于显示。
3. C++端发送过来的数据需要Python端转发到其他C++端，不需要转换。
4. Python端要直接给C++端发送字符串，那么应该根据C++端使用多字节集还是宽字节集，使用 `encode("GBK")` 或者 `encode("UTF-16")` 之后再发送给C++端。
5. 如果你直接使用字节串，那么应该先使用 `decode("UTF-8")` 转换成 `unicode`，再使用 `encode("GBK")` 或者 `encode("UTF-16")` 再发送给C++端。

示例代码：

c++端代码：

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")// 数据包 1024 + 4 + 4 = 1032
struct NETMSGINFO {int MSGTYPE;       // 消息类型int nMsgLen;       // 消息大小char szMsgBuff[1024]; // 消息内容
};int main() {// 1. 初始化环境WSADATA wsd = {};if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed!" << std::endl;return 1;}// 2. 创建套接字SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (sock == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "socket creation failed!" << std::endl;WSACleanup();return 1;}// 3. 连接sockaddr_in addr = {};addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(0x1234);addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");if (connect(sock, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "connect failed!" << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}// 4. 发送数据NETMSGINFO netbuf = {};netbuf.MSGTYPE = 1; // 可以用宏代替，上线strcpy_s(netbuf.szMsgBuff, 1024, "xxx:上线了");netbuf.nMsgLen = strlen(netbuf.szMsgBuff); // 字符长度，注意Python中字符不以0结尾if (send(sock, (char*)&netbuf, sizeof(netbuf), 0) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "send failed!" << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}// 5. 接收数据if (recv(sock, (char*)&netbuf, sizeof(netbuf), 0) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "recv failed!" << std::endl;closesocket(sock);WSACleanup();return 1;}std::cout << netbuf.szMsgBuff << std::endl;// 6. 清理环境closesocket(sock);WSACleanup();return 0;
}

python端代码：

import socket
import structdef main():# 创建TCP套接字sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 绑定端口sock.bind(("127.0.0.1", 0x1234))# 监听sock.listen(socket.SOMAXCONN)# 等待连接clientsock, addr = sock.accept()print(f"Connection from {addr}")# 获取消息大小是发送数据结构大小Msg = clientsock.recv(1032)# 进行格式拆包，由于字符长度不确定，暂时不解包消息msgtype, nMsgLen = struct.unpack('ii', Msg[0:8])# 第二次根据长度解包，指定解包字符长度，使用切片方式msgbuff, = struct.unpack(f'{nMsgLen}s', Msg[8:8+nMsgLen])# 字符需要进行解码，因为VS中默认是以GBK编码方式print(msgbuff.decode('gbk'))# 回复客户端消息，构建一个数据包# 这个数据需要进行GBK编码，否则VS中解析不了字符sendbug = '你好\n'.encode('gbk')# 打包数据msg = struct.pack('ii1024s', 0, len(sendbug), sendbug)# 发送数据clientsock.send(msg)# 关闭套接字clientsock.close()sock.close()if __name__ == "__main__":main()

2.3 python3的编码问题

        在Python 3中，默认使用UTF-8编码，并且明确区分了文本字符和二进制数据，分别用`str`和`bytes`类型表示。

s1 = "abc"  # str类型，字符串
s2 = b"abc"  # bytes类型，二进制字节流
s1 = "中国"  # str类型，字符串
s2 = b"中国"  # bytes类型，不支持非ASCII字符，这样会报错

        在Python 2中，`str`类型在Python 3中对应`bytes`类型，表现为字节，转换是通过`encode`方法，用于存储。

        在Python 2中，`Unicode`类型在Python 3中对应`str`类型，表现为字符，转换是通过`decode`方法，用于显示。

`encode`和`decode`方法用于在`str`和`bytes`之间进行转换。

示例：

s = "18CM好棒"
print(s.encode())  # 默认使用UTF-8编码
# 输出: b'18CM\xe5\xa5\xbd\xe6\xa3\x92'
print(s.encode("gbk"))  # 使用GBK编码
# 输出: b'18CM\xba\xc3\xb0\xb2'print(b'18CM\xe5\xa5\xbd\xe6\xa3\x92'.decode())  # 默认使用UTF-8解码
# 输出: '18CM好棒'
print(b'18CM\xba\xc3\xb0\xb2'.decode("gbk"))  # 使用GBK解码
# 输出: '18CM好棒'

需要注意的是，`encode`和`decode`方法的默认参数都是UTF-8。