“多線程”編程應(yīng)用三例

牟曉東

在計(jì)算機(jī)編程中，“線程”（thread）指的是一組可以在程序中獨(dú)立執(zhí)行的指令集合，它是代碼執(zhí)行的最小單位。如果程序在運(yùn)行過(guò)程中只有一個(gè)線程的話，那么下一個(gè)任務(wù)必須要等到上一個(gè)任務(wù)結(jié)束后才能進(jìn)行，這是一種低效的“串行”流程;引入“多線程”運(yùn)行機(jī)制后，就可以在主線程執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)“并行”執(zhí)行其他的任務(wù)，幾乎不需要等待時(shí)間，從而極大提高程序的運(yùn)行效率。值得一提的是，“多線程”與程序調(diào)用函數(shù)并不相同，因?yàn)楹瘮?shù)的調(diào)用是“阻塞”執(zhí)行方式——必須等函數(shù)正常執(zhí)行結(jié)束后才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后面的程序代碼（否則會(huì)一直處于等待中）。在此分別以Python代碼編程和樹(shù)莓派、掌控板圖形化編程為例，演示“多線程”編程的應(yīng)用。

一、Python：四支“畫(huà)筆”同時(shí)作畫(huà)

在Spyder編輯器中新建“Python多線程畫(huà)圖.py”文件，首先通過(guò)“import turtle”和“from threading import Thread”將海龜庫(kù)模塊和線程庫(kù)模塊導(dǎo)入;接著，設(shè)置好“畫(huà)布”的大小為800×600像素：“turtle.screensize（800，600）”，并且通過(guò)turtle模塊的Turtle（）函數(shù)建立t1-t4四個(gè)Turtle對(duì)象;然后自定義四個(gè)畫(huà)圖函數(shù)，以my_draw1（a）為例：

傳入的參數(shù)a控制循環(huán)的次序：“for i in range（a）：”，循環(huán)體只包括“t1.forward（2）”和“t1.left（1）”兩行代碼，作用是控制t1（Turtle對(duì)象）向前走兩個(gè)像素再向左轉(zhuǎn)1度。比如調(diào)用該函數(shù)時(shí)傳入的參數(shù)a值為180，則會(huì)畫(huà)一個(gè)180度的“半圓”（畫(huà)筆顏色默認(rèn)為黑色）。其余的my_draw2（b）、my_draw3（c）和my_draw4（d）三個(gè)函數(shù)基本類似，只是多了一行“t2.pencolor（‘red）”設(shè)置畫(huà)筆顏色的代碼。

接下來(lái)，同時(shí)開(kāi)啟四個(gè)線程，調(diào)用目標(biāo)分別是四個(gè)Turtle對(duì)象的畫(huà)圖函數(shù)，傳入的參數(shù)均為360（畫(huà)360度的空心圓）：“Thread（target=my_draw1，args=（360，））.start（）”、“Thread（target=my_draw2，args=（360，））.start（）”、“Thread（target=my_draw3，args=（360，））.start（）”和“Thread（target=my_draw4，args=（360，））.start（）”，特別要注意args后的參數(shù)必須是元組形式“（360，）”（逗號(hào)不能省略）;最后，添加“turtle.mainloop（）”無(wú)限循環(huán)方式處理事件語(yǔ)句。

程序代碼保存后運(yùn)行測(cè)試，在彈出的“Python Turtle Graphics”窗口中出現(xiàn)了四個(gè)小箭頭，同時(shí)分別朝著設(shè)定的方向運(yùn)動(dòng)，最終畫(huà)出了四個(gè)顏色相異的“內(nèi)切”和“外切”圓（如圖1）。

二、樹(shù)莓派：三色燈帶不同步閃爍

首先，將一條可編程ws281x燈帶通過(guò)古德微擴(kuò)展板的18號(hào)引腳與樹(shù)莓派連接;接著，登錄古德微機(jī)器人網(wǎng)站進(jìn)入“積木”編程區(qū)進(jìn)行圖形化編程。

在主程序中對(duì)燈帶先進(jìn)行初始化，然后順序添加三個(gè)子線程，名稱為“燈帶紅色”、“燈帶綠色”和“燈帶藍(lán)色”，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)同名的函數(shù);每個(gè)函數(shù)均控制整條燈帶60個(gè)燈珠的三分之一部分，其中的“燈帶紅色”函數(shù)的功能是將1-20號(hào)燈珠先設(shè)置為發(fā)紅光，0.1秒鐘后再熄滅并持續(xù)0.1秒鐘;“燈帶綠色”函數(shù)的功能是將21-40號(hào)燈珠先設(shè)置為發(fā)綠光，0.2秒鐘后再熄滅并持續(xù)0.2秒鐘;而“燈帶藍(lán)色”函數(shù)的功能則是將剩下的41-60號(hào)燈珠先設(shè)置為發(fā)藍(lán)光，0.4秒鐘后再熄滅并持續(xù)0.4秒鐘（如圖2）。

如果主程序不是采用“多線程”而是函數(shù)的直接調(diào)用方式，其運(yùn)行效果就會(huì)是在1-20號(hào)燈珠閃爍紅光的0.2秒鐘（兩個(gè)0.1秒鐘）周期內(nèi)，其余的40個(gè)燈珠是全熄滅狀態(tài);接下來(lái)，在21-40號(hào)燈珠閃爍綠光的0.4秒鐘周期內(nèi)，前20個(gè)和后20個(gè)燈珠同樣是全熄滅狀態(tài);最后，在41-60號(hào)燈珠閃爍藍(lán)光的0.8秒鐘周期內(nèi)，前40個(gè)燈珠也是處于全熄滅狀態(tài)的。

使用“多線程”編程的話，會(huì)有什么樣的展示效果呢？將程序保存后再點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，出現(xiàn)了三組燈珠互不干擾地以各自的頻率進(jìn)行不同步閃爍的效果，而不是函數(shù)式的阻塞等待的執(zhí)行方式。

三、掌控板：LED變色燈音樂(lè)節(jié)拍器

運(yùn)行Mind+，先點(diǎn)擊左下角的“擴(kuò)展”按鈕，將掌控板和“功能模塊”中的“多線程”添加至主界面;返回后，在“ESP32主程序”下的“循環(huán)執(zhí)行”結(jié)構(gòu)中添加啟動(dòng)三個(gè)子線程，其中的“子線程1”只有一行“播放音樂(lè)”語(yǔ)句，并且其重復(fù)模式為“無(wú)限循環(huán)”，音樂(lè)可自行選擇Mind+內(nèi)置的曲目（比如PRELUDE）;“子線程2”實(shí)現(xiàn)的功能是控制OLED顯示屏根據(jù)聲音傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出多個(gè)柱狀音量的動(dòng)態(tài)波形圖，包括設(shè)置線條的寬度和兩個(gè)坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)的繪制，特別需要注意的是，將“讀取麥克風(fēng)聲音強(qiáng)度”數(shù)據(jù)進(jìn)行映射運(yùn)算——從0-4095映射為從50-0，并且需要添加“清屏”語(yǔ)句模塊（“屏幕顯示為‘全黑”）;“子線程3”實(shí)現(xiàn)的功能是控制三支LED燈進(jìn)行有規(guī)律的變色閃爍，發(fā)光顏色的隨機(jī)變化是由三個(gè)“在0和255之間取隨機(jī)數(shù)”的RGB值來(lái)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)“等待0.2秒”的語(yǔ)句模擬控制的是LED燈的閃爍頻率，可根據(jù)所選曲目節(jié)奏的快慢來(lái)多次調(diào)試。

將程序保存為“多線程節(jié)拍.sb3”，然后連接好掌控板，再點(diǎn)擊“上傳到設(shè)備”按鈕進(jìn)行程序的測(cè)試。當(dāng)左下角出現(xiàn)“上傳成功”的提示后，掌控板開(kāi)始有了“反應(yīng)”：蜂鳴器循環(huán)播放程序設(shè)置好的音樂(lè)曲目，同時(shí)三支LED燈在不斷變換顏色地閃爍，而且在OLED顯示屏上有柱狀音量動(dòng)態(tài)波形圖在不停地隨音樂(lè)的音量大小而跳動(dòng)（如圖3）。