python 并发编程之基础知识

1. 基础知识

1.1 进程

• 进程就是操作系统中执行的一个程序，操作系统以进程为单位分配存储空间，每个进程都有自己的地址空间、数据栈以及其他用于跟踪进程执行的辅助数据，操作系统管理所有进程的执行，为它们合理的分配资源。
• 进程可以通过fork或spawn的方式来创建新的进程来执行其他的任务，不过新的进程也有自己独立的内存空间，因此必须通过进程间通信机制（IPC，Inter-Process Communication）来实现数据共享，具体的方式包括管道、信号、套接字、共享内存区等。

1.2 线程

• 一个进程还可以拥有多个并发的执行线索，简单的说就是拥有多个可以获得CPU调度的执行单元，这就是所谓的线程。
• 由于线程在同一个进程下，它们可以共享相同的上下文，因此相对于进程而言，线程间的信息共享和通信更加容易。
• 在单核CPU系统中，真正的并发是不可能的，因为在某个时刻能够获得CPU的只有唯一的一个线程，多个线程共享了CPU的执行时间。
• 使用多线程实现并发编程为程序带来的好处是不言而喻的，最主要的体现在提升程序的性能和改善用户体验，今天我们使用的软件几乎都用到了多线程技术，这一点可以利用系统自带的进程监控工具（如macOS中的“活动监视器”、Windows中的“任务管理器”）来证实
• 当然多线程也并不是没有坏处，站在其他进程的角度，多线程的程序对其他程序并不友好，因为它占用了更多的CPU执行时间，导致其他程序无法获得足够的CPU执行时间；
• 另一方面，站在开发者的角度，编写和调试多线程的程序都对开发者有较高的要求，对于初学者来说更加困难。

1.3 总结

• Python既支持多进程又支持多线程，因此使用Python实现并发编程主要有3种方式：多进程、多线程、多进程+多线程。
• Unix和Linux操作系统上提供了fork()系统调用来创建进程，调用fork()函数的是父进程，创建出的是子进程，子进程是父进程的一个拷贝，但是子进程拥有自己的PID。
• fork()函数非常特殊它会返回两次，父进程中可以通过fork()函数的返回值得到子进程的PID，而子进程中的返回值永远都是0。
• Python的os模块提供了fork()函数。
• 由于Windows系统没有fork()调用，因此要实现跨平台的多进程编程，可以使用multiprocessing模块的Process类来创建子进程，而且该模块还提供了更高级的封装，例如批量启动进程的进程池（Pool）、用于进程间通信的队列（Queue）和管道（Pipe）等。

1.4 协程基础

• 在Python语言中，单线程+异步I/O的编程模型称为协程，有了协程的支持，就可以基于事件驱动编写高效的多任务程序。
• 协程最大的优势就是极高的执行效率，因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销。
• 协程的第二个优势就是不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不用加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。
• 如果想要充分利用CPU的多核特性，最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。

2 多进程编程(适合CPU密集型计算, 更建议用C和C++编写)

2.1 代码示例

from multiprocessing import Process  # 引入多线程模块
from os import getpid
from random import randint
from time import time, sleep


def download_task(filename):
    print('启动下载进程，进程号[%d].' % getpid())
    print('开始下载%s...' % filename)
    time_to_download = randint(5, 10)
    sleep(time_to_download)
    print('%s下载完成! 耗费了%d秒' % (filename, time_to_download))


def main():
    start = time()
    p1 = Process(target=download_task, args=('Python从入门到住院.pdf', ))   # 配置多线程
    p1.start()  # 启动多线程
    p2 = Process(target=download_task, args=('Peking Hot.avi', ))  # 配置多线程
    p2.start()  # 启动多线程
    p1.join()  # 等待线程结束
    p2.join() # 等待线程结束
    end = time()
    print('总共耗费了%.2f秒.' % (end - start))


if __name__ == '__main__':
    main()

在上面的代码中，我们通过Process类创建了进程对象，通过target参数我们传入一个函数来表示进程启动后要执行的代码，后面的args是一个元组，它代表了传递给函数的参数。Process对象的start方法用来启动进程，而join方法表示等待进程执行结束。运行上面的代码可以明显发现两个下载任务“同时”启动了，而且程序的执行时间将大大缩短，不再是两个任务的时间总和。

2. 多线程编程(适合I/0密集型)

2.1 代码并发执行,创建线程并在合适的时候销毁

import time
from threading import Thread
def countdown(n):
    while n > 0:
        print("T-minus", n)
        n -= 1
        time.sleep(3)

t = Thread(target=countdown, args=(10,), daemon=True)
t.start()
if t.is_alive():
    print('still running')
else:
    print('completed')

2.2 使用继承方法来实现多线程编程

from random import randint
from threading import Thread
from time import time, sleep


class DownloadTask(Thread):

    def __init__(self, filename):
        super().__init__()
        self._filename = filename

    def run(self):
        print('开始下载%s...' % self._filename)
        time_to_download = randint(5, 10)
        sleep(time_to_download)
        print('%s下载完成! 耗费了%d秒' % (self._filename, time_to_download))


def main():
    start = time()
    t1 = DownloadTask('Python从入门到住院.pdf')
    t1.start()
    t2 = DownloadTask('Peking Hot.avi')
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    end = time()
    print('总共耗费了%.2f秒.' % (end - start))


if __name__ == '__main__':
    main()

2.3 '锁’的问题

from time import sleep
from threading import Thread, Lock


class Account(object):

    def __init__(self):
        self._balance = 0
        self._lock = Lock()

    def deposit(self, money):
        # 先获取锁才能执行后续的代码
        self._lock.acquire()
        try:
            new_balance = self._balance + money
            sleep(0.01)
            self._balance = new_balance
        finally:
            # 在finally中执行释放锁的操作保证正常异常锁都能释放
            self._lock.release()

    @property
    def balance(self):
        return self._balance


class AddMoneyThread(Thread):

    def __init__(self, account, money):
        super().__init__()
        self._account = account
        self._money = money

    def run(self):
        self._account.deposit(self._money)


def main():
    account = Account()
    threads = []
    for _ in range(100):
        t = AddMoneyThread(account, 1)
        threads.append(t)
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    print('账户余额为: ￥%d元' % account.balance)


if __name__ == '__main__':
    main()

3. 协程编程方法(python 高性能编程技术)

• 异步处理：从调度程序的任务队列中挑选任务，该调度程序以交叉的形式执行这些任务，我们并不能保证任务将以某种顺序去执行，因为执行顺序取决于队列中的一项任务是否愿意将CPU处理时间让位给另一项任务。异步任务通常通过多任务协作处理的方式来实现，由于执行时间和顺序的不确定，因此需要通过回调式编程或者future对象来获取任务执行的结果。Python 3通过asyncio模块和await和async关键字（在Python 3.7中正式被列为关键字）来支持异步处理。

"""
异步I/O - async / await
"""
import asyncio


def num_generator(m, n):
    """指定范围的数字生成器"""
    yield from range(m, n + 1)


async def prime_filter(m, n):
    """素数过滤器"""
    primes = []
    for i in num_generator(m, n):
        flag = True
        for j in range(2, int(i ** 0.5 + 1)):
            if i % j == 0:
                flag = False
                break
        if flag:
            print('Prime =>', i)
            primes.append(i)

        await asyncio.sleep(0.001)
    return tuple(primes)


async def square_mapper(m, n):
    """平方映射器"""
    squares = []
    for i in num_generator(m, n):
        print('Square =>', i * i)
        squares.append(i * i)

        await asyncio.sleep(0.001)
    return squares


def main():
    """主函数"""
    loop = asyncio.get_event_loop()
    future = asyncio.gather(prime_filter(2, 100), square_mapper(1, 100))
    future.add_done_callback(lambda x: print(x.result()))
    loop.run_until_complete(future)
    loop.close()


if __name__ == '__main__':
    main()

说明：上面的代码使用get_event_loop函数获得系统默认的事件循环，通过gather函数可以获得一个future对象，future对象的add_done_callback可以添加执行完成时的回调函数，loop对象的run_until_complete方法可以等待通过future对象获得协程执行结果。

• 当程序不需要真正的并发性或并行性，而是更多的依赖于异步处理和回调时，asyncio就是一种很好的选择。如果程序中有大量的等待与休眠时，也应该考虑asyncio，它很适合编写没有实时数据处理需求的Web应用服务器。
• Python还有很多用于处理并行任务的三方库，例如：joblib、PyMP等。实际开发中，要提升系统的可扩展性和并发性通常有垂直扩展（增加单个节点的处理能力）和水平扩展（将单个节点变成多个节点）两种做法。
• 可以通过消息队列来实现应用程序的解耦合，消息队列相当于是多线程同步队列的扩展版本，不同机器上的应用程序相当于就是线程，而共享的分布式消息队列就是原来程序中的Queue。
• 消息队列（面向消息的中间件）的最流行和最标准化的实现是AMQP（高级消息队列协议），AMQP源于金融行业，提供了排队、路由、可靠传输、安全等功能，最著名的实现包括：Apache的ActiveMQ、RabbitMQ等
• 要实现任务的异步化，可以使用名为Celery的三方库。Celery是Python编写的分布式任务队列，它使用分布式消息进行工作，可以基于RabbitMQ或Redis来作为后端的消息代理。