Threads são linhas de execução concorrentes em um mesmo processo (no seu caso, o seu programa em Python). Elas são concorrentes no sentido de que executam simultaneamente, mas cada um com a sua própria linha de execução - quase como se fossem programas diferentes. A distinção é que programas diferentes são de fato diferentes: cada um tem sua própria área de memória e a comunicação entre eles não é tão simples (embora seja possível por diversos métodos, tais como Sockets, Pipes, Shared Memories, etc). Threads, por outro lado, executam dentro de um mesmo processo, então elas podem compartilhar memória diretamente (e aí, você precisa tomar certos cuidados, como utilizar semáforos para garantir a ordem de acesso aos dados e evitar corrupção - uma thread escrevendo enquanto outra lê).
Em um computador com apenas uma CPU, não há mágica: as threads não executam realmente ao mesmo tempo. O sistema operacional (SO) fica encarregado por "escalonar" as threads para permitir que todas executem um pouco de cada vez, gerando a sensação (ou o resultado prático) de que elas parecem ser simultâneas. Assim, o SO deixa a thread A executar um pouquinho, depois passa o controle para a thread B executar um pouquinho, e depois volta pra thread A, e assim por diante... E é por isso que no caso de compartilhar memória e usar semáforos (note que não é o caso do seu programa de exemplo, que é bem simples) é preciso tomar cuidado também com situações de bloqueio (pode ser que a thread A fique parada esperando a thread B liberar um recurso, enquanto a thread B está parada esperando a thread A liberar outro recurso - o que gera um deadlock que trava o seu programa todo). Por outro lado, em um computador com mais do que uma CPU, as threads podem ser executadas simultaneamente: uma em cada CPU disponível e livre. Os problemas de concorrência citados ainda podem existir, mas há um desempenho melhor porque o SO tem mais facilidade em realizar o escalonamento (que ainda precisa ocorrer).
Bom, no seu programa há duas threads que executam a mesma função. Logo, elas fazem a exata mesma coisa e por isso tendem a demorar o mesmo tempo em cada período de escalonamento. Supondo um computador com uma só CPU, o SO sabe que pode passar o controle do único processador para outra thread quando uma delas para de processar pra fazer algo envolvendo o hardware ou simplesmente esperando, por exemplo. Logo, quando uma de suas threads faz um print
, o tempo em que a impressão demora para acontecer no hardware a thread não está fazendo nada, e o SO passa o controle do processador único para a outra thread executar. O mesmo acontece quando ela faz o sleep
.
Como as suas duas threads fazem a mesma coisa, o resultado tende a ser bem alternado (as vezes a ordem se inverte, mas sempre há execuções "pares" das duas threads), tal como você experimentou:
Carrinho : Ed 0
Carrinho : Paulo 0
Carrinho : Paulo 1.2
Carrinho : Ed 1.1
Carrinho : Ed 2.2
Carrinho : Paulo 2.4
Carrinho : Ed 3.3000000000000003
Carrinho : Paulo 3.5999999999999996
Carrinho : Paulo 4.8
Carrinho : Ed 4.4
Carrinho : Ed 5.5
Carrinho : Paulo 6.0
Carrinho : Ed 6.6
Carrinho : Paulo 7.2
Carrinho : Ed 7.699999999999999
Carrinho : Paulo 8.4
Carrinho : Ed 8.799999999999999
Carrinho : Paulo 9.6
Carrinho : Ed 9.899999999999999
Carrinho : Paulo 10.799999999999999
Carrinho : Ed 10.999999999999998
Carrinho : Paulo 11.999999999999998
Carrinho : Ed 12.099999999999998
Carrinho : Paulo 13.199999999999998
Carrinho : Ed 13.199999999999998
Carrinho : Paulo 14.399999999999997
Carrinho : Ed 14.299999999999997
Carrinho : Paulo 15.599999999999996
Carrinho : Ed 15.399999999999997
Carrinho : Paulo 16.799999999999997
Carrinho : Ed 16.499999999999996
Carrinho : Paulo 17.999999999999996
Carrinho : Ed 17.599999999999998
Carrinho : Paulo 19.199999999999996
Carrinho : Ed 18.7
Carrinho : Paulo 20.399999999999995
Carrinho : Ed 19.8
Carrinho : Paulo 21.599999999999994
Carrinho : Ed 20.900000000000002
Porém, experimente remover completamente a linha com o comando time.sleep(0.3)
e redirecionar a saída para um arquivo texto (execute programa.py > teste.txt
, por exemplo). Então, veja o resultado final (ele vai executar muito rapidamente e você não vai ver nada, pois o resultado estará dentro do arquivo texto). Será algo do tipo:
Carrinho : Ed 0
Carrinho : Ed 1.1
Carrinho : Ed 2.2
Carrinho : Ed 3.3000000000000003
Carrinho : Ed 4.4
Carrinho : Ed 5.5
Carrinho : Ed 6.6
Carrinho : Ed 7.699999999999999
Carrinho : Ed 8.799999999999999
Carrinho : Ed 9.899999999999999
Carrinho : Ed 10.999999999999998
Carrinho : Ed 12.099999999999998
Carrinho : Ed 13.199999999999998
Carrinho : Ed 14.299999999999997
Carrinho : Ed 15.399999999999997
Carrinho : Ed 16.499999999999996
Carrinho : Ed 17.599999999999998
Carrinho : Ed 18.7
Carrinho : Ed 19.8
Carrinho : Ed 20.900000000000002
. . .
Carrinho : Paulo 0
Carrinho : Paulo 1.2
Carrinho : Paulo 2.4
Carrinho : Paulo 3.5999999999999996
Carrinho : Paulo 4.8
Carrinho : Paulo 6.0
Carrinho : Paulo 7.2
Carrinho : Paulo 8.4
Carrinho : Paulo 9.6
Carrinho : Paulo 10.799999999999999
Carrinho : Paulo 11.999999999999998
Carrinho : Paulo 13.199999999999998
Carrinho : Paulo 14.399999999999997
Carrinho : Paulo 15.599999999999996
Carrinho : Paulo 16.799999999999997
Carrinho : Paulo 17.999999999999996
Carrinho : Paulo 19.199999999999996
Carrinho : Paulo 20.399999999999995
Note como a primeira thread praticamente imprimiu todo o seu trabalho antes de a impressão da segunda thread produzir seus resultados. Isso ocorre porque a escrita em arquivo é consideravelmente mais rápida do que a escrita na tela, e assim a thread que começou primeiro (Ed) dá menos oportunidade para o sistema operacional escalonar entre ela e a outra. Esse resultado foi da execução do programa no meu computador, que dispõe de 8 núcleos de processamento (8 CPUs). Não havia mais nada rodando, de forma que as demais CPUs estavam certamente ociosas. O colega @Caffé comentou que isso pode se dever a alguma dificuldade do Python em redistribuir threads entre os processadores, o que talvez seja verdade. Mas talvez o processamento das threads tenha sido tão rápido que o SO não teve tempo hábil para realizar qualquer escalonamento.
O fato é que, independentemente de se ter um ou mais CPUs disponíveis, não há como garantir exatamente a ordem em que as threads serão escalonadas, pois isso fica a cargo do SO. Alguns SOs e linguagens permitem a definição de prioridades, mas ainda assim a escolha fica a cargo do SO.
Desse modo, se você deseja realmente simular os carros correndo em um mesmo enquadramento de tempo, é mais comum utilizar uma só thread e cuidar você mesmo do escalonamento das "tarefas".
É o que jogos, por exemplo, costumam fazer. Você executa em um intervalo de tempo previamente estabelecido (controlando o tempo de cada "quadro" da animação, tal como se fosse no cinema) e executa o passo de iteração de cada instância de carro, que pode ser implementado via Orientação a Objetos, por exemplo.
O enquadramento do tempo é feito da seguinte forma. Suponha que você deseja que cada passo de interação dure aproximadamente 30 milisegundos (essa é meramente uma escolha arbitrária para exemplificação; não estou dizendo que é a melhor ou mais correta escolha - isso depende de outras questões que não vêm ao caso agora). No passo do laço (while
), você faz:
- Executa
Ed->move()
e conta o tempo que essa chamada leva para processar.
- Desconta o tempo processado de 30 milisegundos. Guarda em uma variável
t
.
- Executa
Paulo->move()
e conta o tempo que essa chamada leva para processar.
- Desconta o tempo processado do tempo na variável
t
.
- Se sobrou algum tempo na variável
t
, é sinal de que as chamadas foram muito rápidas. Logo, você chama sleep
com o que sobrou em t
para aguardar o restante e assim totalizar os 30 milisegundos. Se não sobrou nada, você não chama sleep
, pois esse "quadro" tem que acabar imediatamente para tentar compensar o tempo gasto pelo movimento dos carros.
Nota final: observe que independentemente do que foi discutido acima,
os seus carros se movem com velocidades distintas. O primeiro carro
aumenta o espaço no "tempo" em 10% a cada interação, enquanto que o
segundo carro aumenta o espaço no tempo em 20%*. O ponto-chave dessa
explicação é que para garantir que esse movimento seja mais próximo de
real, você precisa garantir que os intervalos de tempo de interação
para cada carro sejam sempre os mesmos. Talvez isso já esteja fugindo
da sua preocupação com entendimento de "threads", mas eu achei que era
útil explicar. :)
* Na verdade o incremento de velocidade é fixo em 1.1 ou 1.2 porque
você usa +=
. O incremento seria percentual como descrito se você utilizasse
*=
.