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Threading en Python

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Temario

• Threading en Python
  • Temario
  • 1) ¿Qué es threading?
  • 2) Conceptos clave
  • 3) Crear y usar hilos — ejemplos básicos
    • a) Usando Thread con target
    • b) Subclassing lhread
  • 4) Daemon threads y uso correcto
  • 5) Sincronización — primitivas importantes
    • Lock (mutual exclusion)
    • RLock (reentrant lock) — permite re-entradas desde mismo hilo
    • Event — señalización simple (flag)
    • Condition — esperas con notificación
    • Semaphore — contador
    • Barrier — sincronizar N hilos en un punto
  • 6) Comunicación segura entre hilos: queue.Queue
  • 7) Manejo de excepciones en hilos
  • 8) ThreadPoolExecutor (alta abstracción)
  • 9) GIL — cuándo usar threading vs multiprocessing
  • 10) Operaciones atómicas y seguridad
  • 11) Cancelación y parada de hilos
  • 12) Thread-local storage
  • 13) Debugging y utilidades
  • 14) Buenas prácticas
  • 15) Ejemplos prácticos (útiles)
    • a) Producer-consumer con Queue (resumen)
    • b) Pool de threads simple con Thread y Queue
    • c) Uso real con requests (I/O-bound)
  • 16) Limitaciones y alternativas
  • 17) Resumen

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1) ¿Qué es threading?

threading es el módulo estándar de Python para concurrencia mediante hilos (threads). Permite ejecutar varias tareas aparentemente al mismo tiempo dentro del mismo proceso. Es ideal para operaciones I/O-bound (espera de red, disco, etc.). Importarlo:

import threading

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2) Conceptos clave

• Thread (hilo): unidad de ejecución.
• Daemon thread: hilo que no impide que el proceso termine; se mata cuando el programa principal acaba.
• GIL (Global Interpreter Lock): en CPython, impide que varios hilos ejecuten bytecode Python al mismo tiempo — eso limita el paralelismo real para tareas CPU-bound.
• Race condition: condición de carrera cuando varios hilos acceden/actualizan recursos compartidos sin sincronización.
• Thread-safe: código que puede ejecutarse en varios hilos sin errores por concurrencia.

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3) Crear y usar hilos — ejemplos básicos

a) Usando Thread con target

import threading
import time

def worker(n):
    print(f"Worker {n} empieza")
    time.sleep(1)
    print(f"Worker {n} termina")

threads = []
for i in range(3):
    t = threading.Thread(target=worker, args=(i,), name=f"worker-{i}")
    t.start()
    threads.append(t)

for t in threads:
    t.join()  # esperar que termine cada hilo

print("Todos terminados")

b) Subclassing lhread

import threading, time

class MiHilo(threading.Thread):
    def __init__(self, n):
        super().__init__(name=f"MiHilo-{n}")
        self.n = n

    def run(self):
        print(f"{self.name} comenzar")
        time.sleep(1)
        print(f"{self.name} terminar")

h = MiHilo(1)
h.start()
h.join()

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4) Daemon threads y uso correcto

t = threading.Thread(target=worker, args=(1,), daemon=True)
t.start()
# Si el main thread termina, el hilo daemon se termina abruptamente.

Usa daemon para tareas de fondo opcionales (logs en tiempo real, watchers). Para trabajo crítico, no uses daemon; asegúrate de join().

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5) Sincronización — primitivas importantes

Lock (mutual exclusion)

lock = threading.Lock()
with lock:
    # región crítica
    pass

RLock (reentrant lock) — permite re-entradas desde mismo hilo

rlock = threading.RLock()

Event — señalización simple (flag)

event = threading.Event()

# hilo espera:
event.wait()  # bloquea hasta que event.set()
# hilo que despierta:
event.set()

Condition — esperas con notificación

cond = threading.Condition()
with cond:
    cond.wait()  # espera notificación
    # otro hilo:
    cond.notify()

Semaphore — contador

sem = threading.Semaphore(3)  # máximo 3 entradas simultáneas
with sem:
    # acceso limitado
    pass

Barrier — sincronizar N hilos en un punto

bar = threading.Barrier(3)
bar.wait()  # todos los hilos esperan aquí hasta que lleguen los 3

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6) Comunicación segura entre hilos: queue.Queue

queue.Queue es thread-safe y la forma recomendada para pasar datos entre hilos (producer-consumer).

import threading, queue, time

q = queue.Queue()

def producer():
    for i in range(5):
        q.put(i)
        print("produjo", i)
        time.sleep(0.2)
    q.put(None)  # sentinel para indicar fin

def consumer():
    while True:
        item = q.get()
        if item is None:
            break
        print("consumió", item)
        q.task_done()

t1 = threading.Thread(target=producer)
t2 = threading.Thread(target=consumer)
t1.start(); t2.start()
t1.join(); q.join()

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7) Manejo de excepciones en hilos

Las excepciones en Thread no se propagan al hilo principal. Opciones:

• Usar concurrent.futures.ThreadPoolExecutor para obtener Future y atrapar excepciones.
• Capturar y guardar excepciones en el propio hilo y consultarlas después. Ejemplo con ThreadPoolExecutor:

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

def trabajo(x):
    if x == 3:
        raise ValueError("boom")
    return x*2

with ThreadPoolExecutor(max_workers=3) as ex:
    futures = [ex.submit(trabajo, i) for i in range(5)]
    for f in futures:
        try:
            print(f.result())
        except Exception as e:
            print("error en hilo:", e)

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8) ThreadPoolExecutor (alta abstracción)

Más cómodo que crear hilos manualmente.

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor, as_completed

def tarea(n):
    return n*n

with ThreadPoolExecutor(max_workers=4) as pool:
    futures = [pool.submit(tarea, i) for i in range(10)]
    for f in as_completed(futures):
        print(f.result())

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9) GIL — cuándo usar threading vs multiprocessing

• I/O-bound: usa threading (o asyncio) — hilos dan mejoras reales (espera de I/O libera GIL).
• CPU-bound: threading no escala por GIL; usa multiprocessing (procesos) o extensiones nativas (numpy, C) que sueltan GIL. Explicación corta: el GIL permite que solo un hilo ejecute bytecode Python simultáneamente; por eso multiples hilos no aceleran cálculos puros en CPython.

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10) Operaciones atómicas y seguridad

• Algunos objetos y operaciones son atómicas en CPython (por ejemplo, asignación simple de variable, operaciones sobre tipos integrales?) — no confíes en ello.
• Ejemplo inseguro (race):

# NO usar sin lock
counter = 0
def incr():
    global counter
    for _ in range(10000):
        counter += 1  # no es atómico: leer-modificar-escribir

Siempre protege con Lock si hay acceso concurrente.

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11) Cancelación y parada de hilos

No existe Thread.kill() seguro. Patrones para parar:

• Usar threading.Event() como bandera de parada:

stop_event = threading.Event()

def worker():
    while not stop_event.is_set():
        # trabajo
        pass

# detener:
stop_event.set()

• Usar sentinels en queue (None).

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12) Thread-local storage

Datos separados por hilo:

import threading
local = threading.local()
def worker(val):
    local.x = val
    print(local.x)

t1 = threading.Thread(target=worker, args=(1,))
t2 = threading.Thread(target=worker, args=(2,))
t1.start(); t2.start()

Cada hilo ve su propio local.x.

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13) Debugging y utilidades

• threading.enumerate() → lista hilos activos.
• threading.active_count() → cuenta.
• threading.current_thread().name → nombre actual.
• Poner logs (no prints) con logging y threadName en el formato para seguir hilos.
• Para debug avanzado: faulthandler.dump_traceback_later() o threading.settrace() (poco común).

Ejemplo de logging:

import logging, threading, time
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format="%(threadName)s: %(message)s")
def worker():
    logging.info("start")
    time.sleep(1)
    logging.info("end")

t = threading.Thread(target=worker, name="hilo-1")
t.start(); t.join()

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14) Buenas prácticas

• Para I/O concurrency, prefiere ThreadPoolExecutor o asyncio según el caso.
• Evita variables globales mutables; usa queue.Queue y Locks.
• No uses daemon=True para tareas que deben terminar correctamente.
• Mantén regiones críticas lo más cortas posible (reduce contención).
• Si necesitas paralelismo real para CPU-bound, usa multiprocessing o librerías que suelten el GIL.
• Añade timeouts a join() y bloqueos (lock.acquire(timeout=...)) si corres riesgos de deadlock.

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15) Ejemplos prácticos (útiles)

a) Producer-consumer con Queue (resumen)

Ya mostrado en la sección de Queue. Es el patrón más útil y seguro para comunicación.

b) Pool de threads simple con Thread y Queue

import threading, queue, time

def worker(q):
    while True:
        fn, args = q.get()
        if fn is None:
            break
        try:
            fn(*args)
        finally:
            q.task_done()

q = queue.Queue()
threads = []
for _ in range(4):
    t = threading.Thread(target=worker, args=(q,))
    t.start()
    threads.append(t)

# Encolar tareas
for i in range(10):
    q.put((print, (f"task {i}",)))

q.join()
# parar hilos
for _ in threads:
    q.put((None, None))
for t in threads:
    t.join()

c) Uso real con requests (I/O-bound)

import requests
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

urls = ["https://example.com"]*10

def fetch(url):
    r = requests.get(url)
    return len(r.content)

with ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as ex:
    results = list(ex.map(fetch, urls))
print(results)

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16) Limitaciones y alternativas

• threading no es la mejor opción para CPU-bound por el GIL.

• Alternativas:

  • multiprocessing — procesos (paralelismo real).

  • asyncio — concurrencia en un solo hilo usando corutinas (muy eficiente para I/O con muchas conexiones).

  • concurrent.futures.ProcessPoolExecutor — API parecida a ThreadPool pero con procesos.

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17) Resumen

• Usa threading para I/O-bound.
• Protege recursos compartidos con Lock, RLock, o usa Queue.
• Para excepciones y manejo fácil, usa ThreadPoolExecutor.
• No hay forma segura de matar hilos; implementa mecanismo cooperativo (Event/sentinels).
• Si necesitas paralelismo CPU puro, usa multiprocessing.

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Autor: Fravelz