一行 Python 代码实现并行

Python 在程序并行化方面多少有些声名狼藉。撇开技术上的问题，例如线程的实现和 GIL，我觉得错误的教学指导才是主要问题。常见的经典 Python 多线程、多进程教程多显得偏"重"。而且往往隔靴搔痒，没有深入探讨日常工作中最有用的内容。

传统的例子

简单搜索下"Python 多线程教程"，不难发现几乎所有的教程都给出涉及类和队列的例子：

import os import PIL from multiprocessing import Pool from PIL import ImageSIZE = (75,75)SAVE_DIRECTORY = 'thumbs'def get_image_paths(folder):    return (os.path.join(folder, f)             for f in os.listdir(folder)             if 'jpeg' in f)def create_thumbnail(filename):     im = Image.open(filename)    im.thumbnail(SIZE, Image.ANTIALIAS)    base, fname = os.path.split(filename)     save_path = os.path.join(base, SAVE_DIRECTORY, fname)    im.save(save_path)if __name__ == '__main__':    folder = os.path.abspath(        '11_18_2013_R000_IQM_Big_Sur_Mon__e10d1958e7b766c3e840')    os.mkdir(os.path.join(folder, SAVE_DIRECTORY))    images = get_image_paths(folder)    pool = Pool()    pool.map(creat_thumbnail, images)    pool.close()    pool.join()

哈，看起来有些像 Java 不是吗？

我并不是说使用生产者/消费者模型处理多线程/多进程任务是错误的（事实上，这一模型自有其用武之地）。只是，处理日常脚本任务时我们可以使用更有效率的模型。

问题在于…

首先，你需要一个样板类；
其次，你需要一个队列来传递对象；
而且，你还需要在通道两端都构建相应的方法来协助其工作（如果需想要进行双向通信或是保存结果还需要再引入一个队列）。

worker 越多，问题越多

按照这一思路，你现在需要一个 worker 线程的线程池。下面是一篇 IBM 经典教程中的例子——在进行网页检索时通过多线程进行加速。

#Example2.py'''A more realistic thread pool example '''import time import threading import Queue import urllib2 class Consumer(threading.Thread):     def __init__(self, queue):         threading.Thread.__init__(self)        self._queue = queue     def run(self):        while True:             content = self._queue.get()             if isinstance(content, str) and content == 'quit':                break            response = urllib2.urlopen(content)        print 'Bye byes!'def Producer():    urls = [        'http://www.python.org', 'http://www.yahoo.com'        'http://www.scala.org', 'http://www.google.com'        # etc..     ]    queue = Queue.Queue()    worker_threads = build_worker_pool(queue, 4)    start_time = time.time()    # Add the urls to process    for url in urls:         queue.put(url)      # Add the poison pillv    for worker in worker_threads:        queue.put('quit')    for worker in worker_threads:        worker.join()    print 'Done! Time taken: {}'.format(time.time() - start_time)def build_worker_pool(queue, size):    workers = []    for _ in range(size):        worker = Consumer(queue)        worker.start()         workers.append(worker)    return workersif __name__ == '__main__':    Producer()

这段代码能正确的运行，但仔细看看我们需要做些什么：构造不同的方法、追踪一系列的线程，还有为了解决恼人的死锁问题，我们需要进行一系列的 join 操作。这还只是开始……

至此我们回顾了经典的多线程教程，多少有些空洞不是吗？样板化而且易出错，这样事倍功半的风格显然不那么适合日常使用，好在我们还有更好的方法。

何不试试 map

map 这一小巧精致的函数是简捷实现 Python 程序并行化的关键。map 源于 Lisp 这类函数式编程语言。它可以通过一个序列实现两个函数之间的映射。

    urls = ['http://www.yahoo.com', 'http://www.reddit.com']    results = map(urllib2.urlopen, urls)

上面的这两行代码将 urls 这一序列中的每个元素作为参数传递到 urlopen 方法中，并将所有结果保存到 results 这一列表中。其结果大致相当于：

results = []for url in urls:     results.append(urllib2.urlopen(url))

map 函数一手包办了序列操作、参数传递和结果保存等一系列的操作。

为什么这很重要呢？这是因为借助正确的库，map 可以轻松实现并行化操作。

image

在 Python 中有个两个库包含了 map 函数： multiprocessing 和它鲜为人知的子库 multiprocessing.dummy.

这里多扯两句： multiprocessing.dummy？ mltiprocessing 库的线程版克隆？这是虾米？即便在 multiprocessing 库的官方文档里关于这一子库也只有一句相关描述。而这句描述译成人话基本就是说:"嘛，有这么个东西，你知道就成."相信我，这个库被严重低估了！

dummy 是 multiprocessing 模块的完整克隆，唯一的不同在于 multiprocessing 作用于进程，而 dummy 模块作用于线程（因此也包括了 Python 所有常见的多线程限制）。
所以替换使用这两个库异常容易。你可以针对 IO 密集型任务和 CPU 密集型任务来选择不同的库。

动手尝试

使用下面的两行代码来引用包含并行化 map 函数的库：

from multiprocessing import Poolfrom multiprocessing.dummy import Pool as ThreadPool

实例化 Pool 对象：

pool = ThreadPool()

这条简单的语句替代了 example2.py 中 buildworkerpool 函数 7 行代码的工作。它生成了一系列的 worker 线程并完成初始化工作、将它们储存在变量中以方便访问。

Pool 对象有一些参数，这里我所需要关注的只是它的第一个参数：processes. 这一参数用于设定线程池中的线程数。其默认值为当前机器 CPU 的核数。

一般来说，执行 CPU 密集型任务时，调用越多的核速度就越快。但是当处理网络密集型任务时，事情有有些难以预计了，通过实验来确定线程池的大小才是明智的。

pool = ThreadPool(4) # Sets the pool size to 4

线程数过多时，切换线程所消耗的时间甚至会超过实际工作时间。对于不同的工作，通过尝试来找到线程池大小的最优值是个不错的主意。

创建好 Pool 对象后，并行化的程序便呼之欲出了。我们来看看改写后的 example2.py

import urllib2 from multiprocessing.dummy import Pool as ThreadPool urls = [    'http://www.python.org',     'http://www.python.org/about/',    'http://www.onlamp.com/pub/a/python/2003/04/17/metaclasses.html',    'http://www.python.org/doc/',    'http://www.python.org/download/',    'http://www.python.org/getit/',    'http://www.python.org/community/',    'https://wiki.python.org/moin/',    'http://planet.python.org/',    'https://wiki.python.org/moin/LocalUserGroups',    'http://www.python.org/psf/',    'http://docs.python.org/devguide/',    'http://www.python.org/community/awards/'    # etc..     ]# Make the Pool of workerspool = ThreadPool(4) # Open the urls in their own threads# and return the resultsresults = pool.map(urllib2.urlopen, urls)#close the pool and wait for the work to finish pool.close() pool.join()

实际起作用的代码只有 4 行，其中只有一行是关键的。map 函数轻而易举的取代了前文中超过 40 行的例子。为了更有趣一些，我统计了不同方法、不同线程池大小的耗时情况。

# results = [] # for url in urls:#   result = urllib2.urlopen(url)#   results.append(result)# # ------- VERSUS ------- # # # ------- 4 Pool ------- # # pool = ThreadPool(4) # results = pool.map(urllib2.urlopen, urls)# # ------- 8 Pool ------- # # pool = ThreadPool(8) # results = pool.map(urllib2.urlopen, urls)# # ------- 13 Pool ------- # # pool = ThreadPool(13) # results = pool.map(urllib2.urlopen, urls)

结果：

#        Single thread:  14.4 Seconds #               4 Pool:   3.1 Seconds#               8 Pool:   1.4 Seconds#              13 Pool:   1.3 Seconds

很棒的结果不是吗？这一结果也说明了为什么要通过实验来确定线程池的大小。在我的机器上当线程池大小大于 9 带来的收益就十分有限了。

另一个真实的例子

生成上千张图片的缩略图
这是一个 CPU 密集型的任务，并且十分适合进行并行化。

基础单进程版本

import os import PIL from multiprocessing import Pool from PIL import ImageSIZE = (75,75)SAVE_DIRECTORY = 'thumbs'def get_image_paths(folder):    return (os.path.join(folder, f)             for f in os.listdir(folder)             if 'jpeg' in f)def create_thumbnail(filename):     im = Image.open(filename)    im.thumbnail(SIZE, Image.ANTIALIAS)    base, fname = os.path.split(filename)     save_path = os.path.join(base, SAVE_DIRECTORY, fname)    im.save(save_path)if __name__ == '__main__':    folder = os.path.abspath(        '11_18_2013_R000_IQM_Big_Sur_Mon__e10d1958e7b766c3e840')    os.mkdir(os.path.join(folder, SAVE_DIRECTORY))    images = get_image_paths(folder)    for image in images:        create_thumbnail(Image)

上边这段代码的主要工作就是将遍历传入的文件夹中的图片文件，一一生成缩略图，并将这些缩略图保存到特定文件夹中。

这我的机器上，用这一程序处理 6000 张图片需要花费 27.9 秒。

如果我们使用 map 函数来代替 for 循环：

import os import PIL from multiprocessing import Pool from PIL import ImageSIZE = (75,75)SAVE_DIRECTORY = 'thumbs'def get_image_paths(folder):    return (os.path.join(folder, f)             for f in os.listdir(folder)             if 'jpeg' in f)def create_thumbnail(filename):     im = Image.open(filename)    im.thumbnail(SIZE, Image.ANTIALIAS)    base, fname = os.path.split(filename)     save_path = os.path.join(base, SAVE_DIRECTORY, fname)    im.save(save_path)if __name__ == '__main__':    folder = os.path.abspath(        '11_18_2013_R000_IQM_Big_Sur_Mon__e10d1958e7b766c3e840')    os.mkdir(os.path.join(folder, SAVE_DIRECTORY))    images = get_image_paths(folder)    pool = Pool()    pool.map(creat_thumbnail, images)    pool.close()    pool.join()

5.6 秒！

虽然只改动了几行代码，我们却明显提高了程序的执行速度。在生产环境中，我们可以为 CPU 密集型任务和 IO 密集型任务分别选择多进程和多线程库来进一步提高执行速度——这也是解决死锁问题的良方。此外，由于 map 函数并不支持手动线程管理，反而使得相关的 debug 工作也变得异常简单。

到这里，我们就实现了（基本）通过一行 Python 实现并行化。