Python并发编程之进程
2018-07-20 来源：编程学习网
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；
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()
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