Python3标准库：concurrent.futures管理并发任务池

1. concurrent.futures管理并发任务池

concurrent.futures模块提供了使用工作线程或进程池运行任务的接口。线程和进程池的API是一样的，所以应用只做最小的修改就可以在线程和进程之间顺利地切换。

这个模块提供了两种类型的类与这些池交互。执行器(executor)用来管理工作线程或进程池，future用来管理工作线程或进程计算的结果。要使用一个工作线程或进程池，应用要创建适当的执行器类的一个实例，然后向它提交任务来运行。每个任务启动时，会返回一个Future实例。需要任务的结果时，应用可以使用Future阻塞，直到得到结果。目前已经提供了不同的API，可以很方便地等待任务完成，所以不需要直接管理Future对象。

1.1 利用基本线程池使用map()

ThreadPooLExecutor管理一组工作线程，当这些线程可用于完成更多工作时，可以向它们传入任务。下面的例子使用map()并发地从一个输入迭代器生成一组结果。这个任务使用time.sleep()暂停不同的时间，从而展示不论任务的执行顺序如何，map()总是根据输入按顺序返回值。

from concurrent import futures
import threading
import time

def task(n):
    print('{}: sleeping {}'.format(
        threading.current_thread().name,
        n)
    )
    time.sleep(n / 10)
    print('{}: done with {}'.format(
        threading.current_thread().name,
        n)
    )
    return n / 10

ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
print('main: starting')
results = ex.map(task, range(5, 0, -1))
print('main: unprocessed results {}'.format(results))
print('main: waiting for real results')
real_results = list(results)
print('main: results: {}'.format(real_results))

map()的返回值实际上是一种特殊类型的迭代器，它知道主程序迭代处理时要等待各个响应。

 1.2 调度单个任务

除了使用map()，还可以借助submit()利用一个执行器调度单个任务。然后可以使用返回的Future实例等待这个任务的结果。

from concurrent import futures
import threading
import time

def task(n):
    print('{}: sleeping {}'.format(
        threading.current_thread().name,
        n)
    )
    time.sleep(n / 10)
    print('{}: done with {}'.format(
        threading.current_thread().name,
        n)
    )
    return n / 10

ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
print('main: starting')
f = ex.submit(task, 5)
print('main: future: {}'.format(f))
print('main: waiting for results')
result = f.result()
print('main: result: {}'.format(result))
print('main: future after result: {}'.format(f))

任务完成之后，Future的状态会改变，并得到结果。

1.3 按任意顺序等待任务

调用Future的result()方法会阻塞，直到任务完成(可能返回一个值，也可能抛出一个异常)或者撤销。可以使用map()按调度任务的顺序访问多个任务的结果。如果处理结果的顺序不重要，则可以使用as_completed()在每个任务完成时处理它的结果。

from concurrent import futures
import random
import time

def task(n):
    time.sleep(random.random())
    return (n, n / 10)

ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=5)
print('main: starting')

wait_for = [
    ex.submit(task, i)
    for i in range(5, 0, -1)
]

for f in futures.as_completed(wait_for):
    print('main: result: {}'.format(f.result()))

因为池中的工作线程与任务同样多，故而所有任务都可以启动。它们会按随机的顺序完成，所以每次运行这个示例程序时as_completed()生成的值都不同。

1.4 回调

要在任务完成时采取某个动作，不用显式地等待结果，可以使用add_done_callback()指示Future完成时要调用一个新函数。这个回调应当是有一个参数(Future实例)的callable函数。

from concurrent import futures
import time

def task(n):
    print('{}: sleeping'.format(n))
    time.sleep(0.5)
    print('{}: done'.format(n))
    return n / 10

def done(fn):
    if fn.cancelled():
        print('{}: canceled'.format(fn.arg))
    elif fn.done():
        error = fn.exception()
        if error:
            print('{}: error returned: {}'.format(
                fn.arg, error))
        else:
            result = fn.result()
            print('{}: value returned: {}'.format(
                fn.arg, result))

if __name__ == '__main__':
    ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
    print('main: starting')
    f = ex.submit(task, 5)
    f.arg = 5
    f.add_done_callback(done)
    result = f.result()

不论由于什么原因，只要认为Future“完成”，就会调用这个回调，所以在使用它之前必须检查传入回调的对象的状态。

1.5 撤销任务

如果一个Future已经提交但还没启动，那么可以调用它的cancel()方法将其撤销。

from concurrent import futures
import time

def task(n):
    print('{}: sleeping'.format(n))
    time.sleep(0.5)
    print('{}: done'.format(n))
    return n / 10

def done(fn):
    if fn.cancelled():
        print('{}: canceled'.format(fn.arg))
    elif fn.done():
        print('{}: not canceled'.format(fn.arg))

if __name__ == '__main__':
    ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
    print('main: starting')
    tasks = []

    for i in range(10, 0, -1):
        print('main: submitting {}'.format(i))
        f = ex.submit(task, i)
        f.arg = i
        f.add_done_callback(done)
        tasks.append((i, f))

    for i, t in reversed(tasks):
        if not t.cancel():
            print('main: did not cancel {}'.format(i))

    ex.shutdown()

cancel()返回一个布尔值，指示任务是否可用撤销。

1.6 任务中的异常

如果一个任务产生一个未处理的异常，那么它会被保存到这个任务的Future，而且可以通过result()或exception()方法得到。

from concurrent import futures

def task(n):
    print('{}: starting'.format(n))
    raise ValueError('the value {} is no good'.format(n))

ex = futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2)
print('main: starting')
f = ex.submit(task, 5)

error = f.exception()
print('main: error: {}'.format(error))

try:
    result = f.result()
except ValueError as e:
    print('main: saw error "{}" when accessing result'.format(e))

如果在一个任务函数中抛出一个未处理的异常后调用了result()，那么会在当前上下文中再次抛出同样的异常。

1.7 上下文管理器

执行器会与上下文管理器合作，并发的运行任务并等待它们都完成。当上下文管理器退出时，会调用执行器的shutdown()方法。

from concurrent import futures

def task(n):
    print(n)

with futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2) as ex:
    print('main: starting')
    ex.submit(task, 1)
    ex.submit(task, 2)
    ex.submit(task, 3)
    ex.submit(task, 4)

print('main: done')

离开当前作用域时如果要清理线程或进程资源，那么用这种方式使用执行器就很有用。