概述
一、进程和线程的简单解释
进程(process)和线程(thread)是操作系统的基本概念,但是它们比较抽象,不容易掌握。
用生活举例:
(转自阮一峰网络日志)
1.计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂,时刻在运行。 2.假定工厂的电力有限,一次只能供给一个车间使用。也就是说,一个车间开工的时候,其他车间都必须停工。背后的含义就是,单个CPU一次只能运行一个任务。 3.进程就好比工厂的车间,它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻,CPU总是运行一个进程,其他进程处于非运行状态。 4.一个车间里,可以有很多工人。他们协同完成一个任务。 5.线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。 6.车间的空间是工人们共享的,比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可以使用这些共享内存。 7.可是,每间房间的大小不同,有些房间最多只能容纳一个人,比如厕所。里面有人的时候,其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。 8.一个防止他人进入的简单方法,就是门口加一把锁。先到的人锁上门,后到的人看到上锁,就在门口排队,等锁打开再进去。这就叫互斥锁(Mutual exclusion,缩写 Mutex),防止多个线程同时读写某一块内存区域。 9.还有些房间,可以同时容纳n个人,比如厨房。也就是说,如果人数大于n,多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域,只能供给固定数目的线程使用。 10.这时的解决方法,就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙,出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了,就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做信号量(Semaphore),用来保证多个线程不会互相冲突。 不难看出,mutex是semaphore的一种特殊情况(n=1时)。也就是说,完全可以用后者替代前者。但是,因为mutex较为简单,且效率高,所以在必须保证资源独占的情况下,还是采用这种设计。 11.操作系统的设计,因此可以归结为三点: (1)以多进程形式,允许多个任务同时运行; (2)以多线程形式,允许单个任务分成不同的部分运行; (3)提供协调机制,一方面防止进程之间和线程之间产生冲突,另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。
二、python并发编程之多进程
1、multiprocessing模块介绍
python中的多线程无法利用多核优势,如果想要充分地使用多核CPU的资源(os.cpu_count()查看),在python中大部分情况需要使用多进程。Python提供了非常好用的多进程包multiprocessing。
multiprocessing模块用来开启子进程,并在子进程中执行我们定制的任务(比如函数),该模块与多线程模块threading的编程接口类似。
multiprocessing模块的功能众多:支持子进程、通信和共享数据、执行不同形式的同步,提供了Process、Queue、Pipe、Lock等组件。
需要再次强调的一点是:与线程不同,进程没有任何共享状态,进程修改的数据,改动仅限于该进程内。
2、Process类的介绍
- 创建进程的类
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,'hexin',) kwargs表示调用对象的字典,kwargs={'name':'hexin','age':18} name为子进程的名称
- 方法介绍
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
- 属性介绍
p.daemon:默认值为False,如果设为True,代表p为后台运行的守护进程,当p的父进程终止时,p也随之终止,并且设定为True后,p不能创建自己的新进程,必须在p.start()之前设置
p.name:进程的名称
p.pid:进程的pid
p.exitcode:进程在运行时为None、如果为–N,表示被信号N结束(了解即可)
p.authkey:进程的身份验证键,默认是由os.urandom()随机生成的32字符的字符串。这个键的用途是为涉及网络连接的底层进程间通信提供安全性,这类连接只有在具有相同的身份验证键时才能成功(了解即可)
3、Process类的使用
- 创建并开启子进程的两种方式
方法1
import time import random from multiprocessing import Process def piao(name): print('%s piao' %name) time.sleep(random.randrange(1,5)) print('%s piao end' %name) p1=Process(target=piao,args=('e',)) #必须加,号 p2=Process(target=piao,args=('a',)) p3=Process(target=piao,args=('w',)) p4=Process(target=piao,args=('y',)) p1.start() p2.start() p3.start() p4.start() print('主线程')
输出
e piao
主线程
a piao
w piao
y piao
e piao end
y piao end
a piao end
w piao end
方法2
import time import random from multiprocessing import Process class Piao(Process): def __init__(self,name): super().__init__() self.name=name def run(self): print('%s piaoing' %self.name) time.sleep(random.randrange(1,5)) print('%s piao end' %self.name) p1=Piao('e') p2=Piao('a') p3=Piao('w') p4=Piao('y') p1.start() #start会自动调用run p2.start() p3.start() p4.start() print('主线程')
输出
e piaoing
主线程
a piaoing
w piaoing
y piaoing
e piao end
a piao end
y piao end
w piao end
注意:在windows中Process()必须放到# if __name__ == '__main__':下
- Process对象的其他方法或属性
#进程对象的其他方法一:terminate,is_alive from multiprocessing import Process import time import random class Piao(Process): def __init__(self,name): self.name=name super().__init__() def run(self): print('%s is piaoing' %self.name) time.sleep(random.randrange(1,5)) print('%s is piao end' %self.name) p1=Piao('e1') p1.start() p1.terminate()#关闭进程,不会立即关闭,所以is_alive立刻查看的结果可能还是存活 print(p1.is_alive()) #结果为True print('开始') print(p1.is_alive()) #结果为False
输出
True
开始
False
#进程对象的其他方法二:p.daemon=True,p.join from multiprocessing import Process import time import random class Piao(Process): def __init__(self,name): self.name=name super().__init__() def run(self): print('%s is piaoing' %self.name) time.sleep(random.randrange(1,3)) print('%s is piao end' %self.name) p=Piao('e') p.daemon=True #一定要在p.start()前设置,设置p为守护进程,禁止p创建子进程,并且父进程死,p跟着一起死 p.start() p.join(0.0001) #等待p停止,等0.0001秒就不再等了 print('开始')
输出
Piao-1 is piaoing 开始
注意:p.join(),是父进程在等p的结束,是父进程阻塞在原地,而p仍然在后台运行
- 进程对象的其他属性:name,pid
from multiprocessing import Process import time import random class Piao(Process): def __init__(self,name): # self.name=name # super().__init__() #Process的__init__方法会执行self.name=Piao-1, # #所以加到这里,会覆盖我们的self.name=name #为我们开启的进程设置名字的做法 super().__init__() self.name=name def run(self): print('%s is piaoing' %self.name) time.sleep(random.randrange(1,3)) print('%s is piao end' %self.name) p=Piao('e') p.start() print('开始') print(p.pid) #查看pid
4.进程同步(锁)
进程之间数据不共享,但是共享同一套文件系统,所以访问同一个文件,或同一个打印终端,是没有问题的。
共享同一打印终端,发现会有多行内容打印到一行的现象(多个进程共享并抢占同一个打印终端,乱了)
既然可以用文件共享数据,那么进程间通信用文件作为数据传输介质就可以了啊,可以,但是有问题:1.效率 2.需要自己加锁处理
加锁的目的是为了保证多个进程修改同一块数据时,同一时间只能有一个修改,即串行的修改,没错,速度是慢了,牺牲了速度而保证了数据安全。
文件当做数据库,模拟抢票(Lock互斥锁)
#!/usr/bin/env python # -*- coding:utf-8 -*- #文件db的内容为:{"count":2} #注意一定要用双引号,不然json无法识别 from multiprocessing import Process,Lock import json import time import random import os def work(filename,lock): #买票 # lock.acquire() with lock: with open(filename,encoding='utf-8') as f: dic=json.loads(f.read()) # print('剩余票数: %s' % dic['count']) if dic['count'] > 0: dic['count']-=1 time.sleep(random.randint(1,3)) #模拟网络延迟 with open(filename,'w',encoding='utf-8') as f: f.write(json.dumps(dic)) print('%s 购票成功' %os.getpid()) else: print('%s 购票失败' %os.getpid()) # lock.release() if __name__ == '__main__': lock=Lock() p_l=[] for i in range(10): p=Process(target=work,args=('db',lock)) p_l.append(p) p.start() for p in p_l: p.join() print('主线程')
输出
7932 购票成功 7933 购票成功 7934 购票失败 7935 购票失败 7936 购票失败 7937 购票失败 7938 购票失败 7939 购票失败 7940 购票失败 7941 购票失败 主线程
三、进程间的通信
进程彼此之间互相隔离,要实现进程间通信(IPC),multiprocessing模块支持两种形式:队列和管道,这两种方式都是使用消息传递的。
1.进程间通信(IPC)方式一:队列(推荐使用)
队列先进先出,栈后进先出
创建队列的类(底层就是以管道和锁定的方式实现):
Queue([maxsize]):创建共享的进程队列,Queue是多进程安全的队列,可以使用Queue实现多进程之间的数据传递。
参数介绍
maxsize是队列中允许最大项数,省略则无大小限制。
方法介绍:
q.put方法用以插入数据到队列中
put方法还有两个可选参数:blocked和timeout。
如果blocked为True(默认值),并且timeout为正值,该方法会阻塞timeout指定的时间,直到该队列有剩余的空间。
如果超时,会抛出Queue.Full异常。如果blocked为False,但该Queue已满,会立即抛出Queue.Full异常。
q.get方法可以从队列读取并且删除一个元素。
get方法有两个可选参数:blocked和timeout。
如果blocked为True(默认值),并且timeout为正值,那么在等待时间内没有取到任何元素,会抛出Queue.Empty异常。
如果blocked为False,有两种情况存在,如果Queue有一个值可用,则立即返回该值,否则,如果队列为空,则立即抛出Queue.Empty异常.
q.get_nowait():同q.get(False)
q.put_nowait():同q.put(False)
q.empty():调用此方法时q为空则返回True,该结果不可靠,比如在返回True的过程中,如果队列中又加入了项目。
q.full():调用此方法时q已满则返回True,该结果不可靠,比如在返回True的过程中,如果队列中的项目被取走。
q.qsize():返回队列中目前项目的正确数量,结果也不可靠,理由同q.empty()和q.full()一样
''' multiprocessing模块支持进程间通信的两种主要形式:管道和队列 都是基于消息传递实现的,但是队列接口 ''' from multiprocessing import Process,Queue import time q=Queue(3) #put ,get ,put_nowait,get_nowait,full,empty q.put(3) q.put(3) q.put(3) print(q.full()) #满了 print(q.get()) print(q.get()) print(q.get()) print(q.empty()) #空了
输出
True 3 3 3 True
2.生产者消费者模型
- 什么是生产者消费者模式?
生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通讯,而通过阻塞队列来进行通讯,所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理,直接扔给阻塞队列,消费者不找生产者要数据,而是直接从阻塞队列里取,阻塞队列就相当于一个缓冲区,平衡了生产者和消费者的处理能力。
- 为什么要使用生产者和消费者模式
在线程世界里,生产者就是生产数据的线程,消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中,如果生产者处理速度很快,而消费者处理速度很慢,那么生产者就必须等待消费者处理完,才能继续生产数据。同样的道理,如果消费者的处理能力大于生产者,那么消费者就必须等待生产者。为了解决这个问题于是引入了生产者和消费者模式。
在并发编程中使用生产者和消费者模式能够解决绝大多数并发问题。该模式通过平衡生产线程和消费线程的工作能力来提高程序的整体处理数据的速度。
- 基于队列实现生产者消费者模型
from multiprocessing import Process,Queue import time,random,os def consumer(q): while True: time.sleep(random.randint(1,3)) res=q.get() if res is None:break print('