Paralelismo - Hilos

Hilos (threads)

Los threads (hilos, hebras, etc) son bifurcaciones internas de los procesos que el desarrollador realiza deliberadamente. Esta práctica ayuda a que un mismo núcleo del procesador modernos pueda ejecutar varios trozos de código en simultáneo.

Los hilos comparten el acceso a las variables y funciones globales del programa. Además, el cambio de hilos en ejecución por el proceso es bastante rápido por no exigir el llamado al sistema operativo.

Superescalabilidad

Existe un mecanismo tácito para aprovechar el paralelismo entre instrucciones de un mismo hilo llamado superescalabilidad, donde el hardware del procesador intenta detectar instrucciones independientes entre sí de la rutina actual y las ejecuta en paralelo.

Importación

Para poder crear nuevos hilos se requiere importar el módulo threading:

import threading

Uso de hilos

Creación

El hilo se crea con la función Thread(), el cual incluye como argumento la función que engloba la rutina que debe ejecutarse:

Creación de threads

def tarea():
    return

# creacion del hilo
hilo = threading.Thread(target=tarea) 

Si la rutina / función requiere valores de entrada estos se adjuntan como una lista o tupla dentro de la función Thread():

Creación de threads - con argumentos

def tarea(x,y):
    return

# argumentos = [x,y]      argumentos en formato lista
argumentos = (x,y,)       #formato alternativo

# creacion del hilo
hilo = threading.Thread(target=tarea, args=argumentos) 

Arranque

La ejecución no comienza de inmediato sino que se ordena con el método start():

Arranque de threads

# orden de ejecucion del hilo
hilo.start()    

Espera al cierre

Si se necesita esperar a la finalizacion del hilo creado se recurre al método join(). Con él el hilo principal queda en espera hasta que que el hilo se cierre.

Espera al cierre

# espera a la finalizacion del hilo para continuar
hilo.join()     

Puede definirse un tiempo de cierre máximo para la espera de la función.

Espera al cierre - con timeout

hilo.join(timeout)     

Si timeout es None entonces el tiempo de espera es indefinido.

Intercambios y sincronización

Variables compartidas

Los hilos de derivados de un hilo principal comparten con el mismo un mismo proceso , y por ello tienen acceso a todas sus variables globales y datos globales internos. Por ello, a diferencia de los subprocesos, no requieren en principio la creación de variables ni datos compartidos.

Bloqueos

Los hilos, al igual que los procesos, recurren al uso de bloqueos para sincronizar hilos, proteger recursos compartidos, evitar errores, etc.

El módulo threading tiene su propia implementación de los bloqueos: threading.Lock()

Crear bloqueos

bloqueo = threading.Lock()     

Los bloqueos pueden usarse con cierre y apertura manual , o bien con ayuda de la cláusula with

Uso bloqueos - manual

bloqueo.adquire()     
# Rutina protegida    
bloqueo.release()     

Uso bloqueos - claúsula with

with bloqueo:
    # Rutina protegida    

El estado actual del bloqueo se consulta con el método locked():

Uso bloqueos - estado actual

estado = bloqueo.locked()  

Atributos de los threads

Estado

is_alive()

threading.active_count()

threading.current_thread()

Hilos 'daemon'

Los hilos daemonicos no admiten crear hilos derivados. Además se cierran automáticamente cuando el hilo principal del proceso se cierra. Deben configurarse como tales antes de comenzar la ejecución del hilo.

Configuracion como daemon

hilo.daemon = True

Barreras (barrier)

Las barreras son primitivas sencillas para sincronizar un numero fijo de hilos. Los hilos se bloquean al invocarse en ellos el método wait() hasta que todos ellos estén bloqueados por dicho método, liberándose entonces la ejecución de todos ellos.

Barreras

barrera = threading.Barrier( nro_hilos , timeout=None)

Tarea_1():

    barrera.wait()


Tarea_2():

    barrera.wait()

Referencias

Learn Tutorials - Procesos e hilos

Documentación oficial - Threading