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2018
04-02

Python并发编程之进程

一、理论概念

1、定义

进程(Process 也可以称为重量级进程)是程序的一次执行。在每个进程中都有自己的地址空间、内存、数据栈以及记录运行的辅助数据,它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

2、并行和并发

并行:并行是指多个任务同一时间执行;

并发:是指在资源有限的情况下,两个任务相互交替着使用资源;

Python并发编程之进程

3、同步和异常

同步是指多个任务在执行时有一个先后的顺序,必须是一个任务执行完成另外一个任务才能执行;

异步是指多个任务在执行时没有先后顺序,多个任务可以同时执行;

4、同步/异步/阻塞/非阻塞/

同步阻塞:这个阻塞的形成效率是最低的;比如你在下载一个东西是,你一直盯着下载进度条,到达100%时下载完成;

同步体现在:你等待下载完成通知;

阻塞体现在:等待下载的过程中,不能做别的事情

同步非阻塞:你在下载东西时,你把任务提交后就去干别的事情了,只是每过一段时间就看一下是不是下载完成;

同步体现在:等待下载完成通知;

非阻塞提现在:等待下载完成通知过程中,去干别的事情了,只是时不时会瞄一眼进度条;

异步阻塞:你在下载东西时换了一个现在使用的客户端比如迅雷,下载完成后会有一个提示音,但是这时候你仍然一直在等待那个完成后的提示音;

异步体现在:下载完成时有提示音;

阻塞体现在:等待下载完成提示音时,不做任何事情;

异步非阻塞:你然然使用的是迅雷下载软件,这时候你把下载任务提交后就去干别的事情去了,当你听到‘叮’以后就知道下载完成;

异步体现在:下载完成叮一声完成通知

非阻塞体现在:等待下载完成“叮”一声通知过程中,去干别的任务了,只需要接收“叮”声通知即可;

二、进程的创建与结束

multiprocessing模块:multiprocess不是一个模块而是python中一个操作、管理进程的包。 之所以叫multi是取自multiple的多功能的意思,在这个包中几乎包含了和进程有关的所有子模块。由于提供的子模块非常多,为了方便大家归类记忆,我将这部分大致分为四个部分:创建进程部分,进程同步部分,进程池部分,进程之间数据共享。

Process模块的各种方法介绍

Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]]),由该类实例化得到的对象,表示一个子进程中的任务(尚未启动)

强调:
1. 需要使用关键字的方式来指定参数
2. args指定的为传给target函数的位置参数,是一个元组形式,必须有逗号

参数介绍:
group参数未使用,值始终为None
target表示调用对象,即子进程要执行的任务
args表示调用对象的位置参数元组,args=(1,2,'egon',)
kwargs表示调用对象的字典,kwargs={'name':'egon','age':18}
name为子进程的名称
p.start():启动进程,并调用该子进程中的p.run() 
p.run():进程启动时运行的方法,正是它去调用target指定的函数,我们自定义类的类中一定要实现该方法  
p.terminate():强制终止进程p,不会进行任何清理操作,如果p创建了子进程,该子进程就成了僵尸进程,使用该方法需要特别小心这种情况。如果p还保存了一个锁那么也将不会被释放,进而导致死锁
p.is_alive():如果p仍然运行,返回True
p.join([timeout]):主线程等待p终止(强调:是主线程处于等的状态,而p是处于运行的状态)。timeout是可选的超时时间,需要强调的是,p.join只能join住start开启的进程,而不能join住run开启的进程

在windows中使用process注意事项:

在Windows操作系统中由于没有fork(linux操作系统中创建进程的机制),在创建子进程的时候会自动 import 启动它的这个文件,而在 import 的时候又执行了整个文件。因此如果将process()直接写在文件中就会无限递归创建子进程报错。所以必须把创建子进程的部分使用if __name__ ==‘__main__’ 判断保护起来,import 的时候 ,就不会递归运行了。

process模块创建进程:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*- 
#Author: caoyf
import  time
from multiprocessing import  Process
def func(name):
    print('hello %s'%name)
    print('我是子进程')

if __name__ == '__main__':
    p = Process(target=func,args=('caoyf',))  #在实例化时候,args的参数必须是一个元祖形式(注册一个子进程)
    p.start() #启动一个子进程
    time.sleep(3)
    print('执行主进程内容了')

创建第一个进程

多个进程同时运行,子进程的执行顺序不是根据启动的顺序来决定的;

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#Author: caoyf
import  time
from multiprocessing import  Process
def func(name):
    print('hello %s'%name)
    time.sleep(2)

if __name__ == '__main__':
    p_lst =  []
    for i in range(10):
        p = Process(target=func, args=('caoyf',))
        p.start()
        p_lst.append(p)
    for p in p_lst: p.join()  # 是感知一个子进程的结束,将异步的程序改为同步
    print('父进程在运行')

多个进程同时运行

另一种开启进程的方法,继承process的形式

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#Author: caoyf
import  time
import os
from multiprocessing import  Process
class Func(Process):
    def __init__(self,name):
        super().__init__()
        self.name = name
    def run(self):
        print(os.getpid())
        print('%s正在和小明聊天'%self.name)

if __name__ == '__main__':
    p1 = Func('caoyf')
    p2 = Func('Zhao')
    p1.start()
    p2.start()
    p1.join()
    p2.join()

继承的方式开启进程

守护进程:会随着主进程的结束而结束,进程之间是相互独立的,主进程的代码运行结束,守护进程也会随即结束

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#Author: caoyf
import  time
import os
from multiprocessing import  Process
def foo():
    print('start123')
    time.sleep(2)
    print('end123')

def func():
    print('start456')
    time.sleep(5)
    print('end456')
if __name__ == '__main__':
    p1 = Process(target=foo)
    p2 = Process(target=func)
    p1.daemon = True
    p1.start()
    p2.start()
    time.sleep(0.1)
    print('main------------')#打印该行则主进程代码结束,则守护进程p1应该被终止.#可能会有p1任务执行的打印信息123,因为主进程打印main---
    # -时,p1也执行了,但是随即被终止.

守护进程

三、进程同步(multiprocessing.Lock\Spemaphore\Event)

锁(Lock):

资源是有限的,多个进程如果对同一个对象进行操作,则有可能造成资源的争用,甚至导致死锁,在并发进程中就可以利用锁进行操作来避免访问的冲突;

加锁可以保证多个进程修改同一块数据时,同一时间只能有一个任务可以进行修改,即串行的修改,但是速度就变慢了,但牺牲了速度却保证了数据安全。

虽然可以用文件共享数据实现进程间通信,但问题是:

1.效率低(共享数据基于文件,而文件是硬盘上的数据)

                        2.需要自己加锁处理

我们可以模拟一个火车抢票的过程,当过个客户同时对一个程序发起访问时,假设此时有5张票,有10个人抢

from multiprocessing import Process,Lock
import time,json,random
def search():
    dic=json.load(open('db'))
    print('\033[43m剩余票数%s\033[0m' %dic['count'])

def get():
    dic=json.load(open('db'))
    time.sleep(random.random()) #模拟读数据的网络延迟
    if dic['count'] >0:
        dic['count']-=1
        time.sleep(random.random()) #模拟写数据的网络延迟
        json.dump(dic,open('db','w'))
        print('\033[32m购票成功\033[0m')
    else:
        print('\033[31m购票失败\033[0m')

def task(lock):
    search()
    lock.acquire()
    get()
    lock.release()

if __name__ == '__main__':
    lock = Lock()
    for i in range(100): #模拟并发100个客户端抢票
        p=Process(target=task,args=(lock,))
        p.start()

抢火车票

信号量:

信号量Semaphore是同时允许一定数量的线程更改数据 。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*- 
#Author: caoyf
import  time
import  random
from multiprocessing import Semaphore
from multiprocessing import Process
def f(i,a):
    a.acquire()
    print('%s走进了房间'%i)
    time.sleep(random.randint(1,5))
    print('%s走出了房间'%i)
    a.release()
if __name__ == '__main__':
    a = Semaphore(5)
    for i in range(10):
        p = Process(target=f,args=(i,a))
        p.start()

信号量

事件:

用于主线程控制其他线程的执行,事件主要提供了三个方法 set、wait、clear。

    事件处理的机制:全局定义了一个“Flag”,如果“Flag”值为 False,那么当程序执行 event.wait 方法时就会阻塞,如果“Flag”值为True,那么event.wait 方法时便不再阻塞。
                                                clear:将“Flag”设置为False
                                                set:将“Flag”设置为True
#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*- 
#Author: caoyf
from multiprocessing import Event,Process
import random
import time
def cars(a,i):
    if not a.is_set():
        print('car%s在等待'%i)
        a.wait()
    print('\033[31mcar%s通过\033[0m' % i)
def f(a):
    while True:
        if a.is_set():
            a.clear()
            print('\033[31m红灯亮了\033[0m')

        else:
            a.set()
            print('\033[32m绿灯亮了\033[0m')
        time.sleep(2)
if __name__ == '__main__':
    a = Event()
    p = Process(target=f,args=(a,))
    p.start()
    for i in range(20):
        car = Process(target=cars,args=(a,i))
        car.start()
        time.sleep(random.random())

事件/红绿灯实例

四、进程间通信---队列和管道

队列Queue:适用于多线程编程的先进先出数据结构,可以用来安全的传递多线程信息。

通过队列实现了 主进程与子进程的通信 子进程与子进程之间的通信

q=Queue(10)     #实例化一个对象,允许队列对多10个元素
q.put()         #放入队列
q.get()         #从队列中取出

假设现在有一个队伍,队伍里最多只能站5个人,但是有15个人想要进去

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*- 
#Author: caoyf
from multiprocessing import Process
from multiprocessing import Queue
def getin(q):     #进入队伍的子进程
    for i in range(15):
        q.put(i)
        # print(q)
def getout(q):    #离开队伍的子进程
    for i in range(6):
        print(q.get())
if __name__=='__main__':
    q=Queue(5)      #队伍内最多可以容纳的人数
    p=Process(target=getin,args=(q,))     #进入队伍的进程
    p.start()
    p2=Process(target=getout,args=(q,))   #离开队伍的进程
    p2.start()

队列实例

管道(Pipes)

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*- 
#Author: caoyf
from multiprocessing import Process,Pipe,Manager,Lock
import time
import  random
# 管道 进程之间创建的一条管道,默认是全双工模式,两头都可以进和出,
# 注意 必须在产生Process对象之前产生管道
# 如果在Pipe括号里面填写False后就变成了单双工,
# 左边的只能收,右边的只能发,recv(接收),send(发送)
#如果没有消息可以接收,recv会一直阻塞,如果连接的另外一段关闭后,
#recv会抛出EOFError错误
# close 关闭连接
#下面的实例是在Pipe的括号里填写和不填写False的区别
# from multiprocessing import Process,Pipe
# def func(pro):
#     pro.send('hello')
#     pro.close()
#
# if __name__=='__main__':
#     con,pro =  Pipe(False)
#     p = Process(target=func,args=(pro,))
#     p.start()
#     print(con.recv())
#     p.join()
# 模拟recv阻塞情况
# def func(con,pro):
#     con.close()
#     while 1:
#         try:
#             print(pro.recv())
#         except EOFError:
#             pro.close()
#             break
#
#
# if __name__=='__main__':
#     con,pro =  Pipe()
#     p = Process(target=func,args=(con,pro,))
#     p.start()
#     pro.close()
#     con.send('aaaaa')
#     con.close()
#     p.join()

# 利用管道实现生产者和消费者
# def sc(con,pro,name,food):
#     con.close()
#     for i in range(5):
#         time.sleep(random.random())
#         f = '%s生产了%s%s'%(name,food,i)
#         print(f)
#         pro.send(f)
# def xf(con,pro,name):
#     pro.close()
#     while 1:
#         try:
#             baozi = con.recv()
#             print('%s消费了%s'%(name,baozi))
#         except EOFError:
#             break
# if __name__=='__main__':
#     con,pro = Pipe()
#     p1 = Process(target=sc,args=(con,pro,'caoyf','包子'))
#     c1 = Process(target=xf,args=(con,pro,'zhoaf'))
#     p1.start()
#     c1.start()
#     con.close()
#     pro.close()
#     p1.join()

管道

数据共享:

队列和管道只是实现了数据的传递,还没有实现数据的共享,如实现数据共享,就要用到Managers( 注:进程间通信应该尽量避免使用共享数据的方式

from multiprocessing import Process,Manager
import os

def f(dict1,list1):
    dict1[os.getpid()] = os.getpid()            # 往字典里放当前PID
    list1.append(os.getpid())                   # 往列表里放当前PID
    print(list1)

if __name__ == "__main__":
    with Manager() as manager:
        d = manager.dict()                       #生成一个字典,可在多个进程间共享和传递
        l = manager.list(range(5))               #生成一个列表,可在多个进程间共享和传递
        p_list = []                              
        for i in range(10):
            p = Process(target=f,args=(d,l))
            p.start()
            p_list.append(p)                     # 存进程列表       
        for res in p_list:                    
            res.join()
        print('\n%s' %d)                                        #若要保证数据安全,需要加锁lock=Lock()
 

进程池

对于需要使用几个甚至十几个进程时,我们使用Process还是比较方便的,但是如果要成百上千个进程,用Process显然太笨了,multiprocessing提供了Pool类,即现在要讲的进程池,能够将众多进程放在一起,设置一个运行进程上限,每次只运行设置的进程数,等有进程结束,再添加新的进程

  • Pool(processes =num):设置运行进程数,当一个进程运行完,会添加新的进程进去
  • apply_async:异步,串行
  • apply:同步,并行
  • close():关闭pool,不能再添加新的任务
import os
import time
import random
from multiprocessing import Pool
from multiprocessing import Process
def func(i):
    i += 1

if __name__ == '__main__':
    p = Pool(5)          # 创建了5个进程
    start = time.time()
    p.map(func,range(1000))  
    p.close()                        # 是不允许再向进程池中添加任务
    p.join()                        #阻塞等待 执行进程池中的所有任务直到执行结束
    print(time.time() - start)
    start = time.time()
    l = []
    for i in range(1000):
        p = Process(target=func,args=(i,))  # 创建了一百个进程
        p.start()
        l.append(p)
    [i.join() for i in l]
    print(time.time() - start)

回调函数:



import os
import time
from multiprocessing import Pool
# 参数 概念 回调函数
def func(i):    # 多进程中的io多,分出去一部分
    print('子进程%s:%s'%(i,os.getpid()))
    return i*'*'

def call(arg):   # 回调函数是在主进程中完成的,不能传参数,只能接受多进程中函数的返回值
    print('回调 :',os.getpid())
    print(arg)

if __name__ == '__main__':
    print('主进程',os.getpid())
    p = Pool(5)
    for i in range(10):
        p.apply_async(func,args=(i,),callback=call)  #callback 回调函数 :主进程执行 参数是子进程执行的函数的返回值
    p.close()
    p.join()

来自:http://www.cnblogs.com/caoyf1992/p/8687352.html?utm_source=tuicool&utm_medium=referral

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