Python 多核并行计算

转载自：https://abcdabcd987.com/python-multiprocessing/

以前写点小程序其实根本不在乎并行，单核跑跑也没什么问题，而且我的电脑也只有双核四个超线程（下面就统称核好了），觉得去折腾并行没啥意义（除非在做IO密集型任务）。然后自从用上了32核128GB内存，看到 htop 里面一堆空载的核，很自然地就会想这个并行必须去折腾一下。后面发现，其实 Python 的并行真的非常简单。

`multiprocessing` vs `threading`

Python 自带的库又全又好用，这是我特别喜欢 Python 的原因之一。Python 里面有 multiprocessing和 threading 这两个用来实现并行的库。用线程应该是很自然的想法，毕竟（直觉上）开销小，还有共享内存的福利，而且在其他语言里面线程用的确实是非常频繁。然而，我可以很负责任的说，如果你用的是 CPython 实现，那么用了 threading 就等同于和并行计算说再见了（实际上，甚至会比单线程更慢），除非这是个IO密集型的任务。

GIL

CPython 指的是 python.org 提供的 Python 实现。是的，Python 是一门语言，它有各种不同的实现，比如 PyPy, Jython, IronPython 等等……我们用的最多的就是 CPython，它几乎就和 Python 画上了等号。

CPython 的实现中，使用了 GIL 即全局锁，来简化解释器的实现，使得解释器每次只执行一个线程中的字节码。也就是说，除非是在等待IO操作，否则 CPython 的多线程就是彻底的谎言！

有关 GIL 下面两个资料写的挺好的：

http://cenalulu.github.io/python/gil-in-python/
http://www.dabeaz.com/python/UnderstandingGIL.pdf

`multiprocessing.Pool`

因为 GIL 的缘故 threading 不能用，那么我们就好好研究研究 multiprocessing。（当然，如果你说你不用 CPython，没有 GIL 的问题，那也是极佳的。）

首先介绍一个简单粗暴，非常实用的工具，就是 multiprocessing.Pool。如果你的任务能用 ys = map(f, xs) 来解决，大家可能都知道，这样的形式天生就是最容易并行的，那么在 Python 里面并行计算这个任务真是再简单不过了。举个例子，把每个数都平方：

import multiprocessing

def f(x):
    return x * x

cores = multiprocessing.cpu_count()
pool = multiprocessing.Pool(processes=cores)
xs = range(5)

# method 1: map
print pool.map(f, xs)  # prints [0, 1, 4, 9, 16]

# method 2: imap
for y in pool.imap(f, xs):
    print y            # 0, 1, 4, 9, 16, respectively

# method 3: imap_unordered
for y in pool.imap_unordered(f, xs):
    print(y)           # may be in any order

map 直接返回列表，而 i 开头的两个函数返回的是迭代器；imap_unordered 返回的是无序的。

当计算时间比较长的时候，我们可能想要加上一个进度条，这个时候 i 系列的好处就体现出来了。另外，有一个小技巧，就是输出 \r 可以使得光标回到行首而不换行，这样就可以制作简易的进度条了。

cnt = 0
for _ in pool.imap_unordered(f, xs):
    sys.stdout.write('done %d/%d\r' % (cnt, len(xs)))
    cnt += 1

更复杂的操作

要进行更复杂的操作，可以直接使用 multiprocessing.Process 对象。要在进程间通信可以使用：

multiprocessing.Pipe
multiprocessing.Queue
同步原语
共享变量

其中我强烈推荐的就是 Queue，因为其实很多场景就是生产者消费者模型，这个时候用 Queue 就解决问题了。用的方法也很简单，现在父进程创建 Queue，然后把它当做 args 或者 kwargs 传给 Process 就好了。

使用 Theano 或者 Tensorflow 等工具时的注意事项

需要注意的是，在 import theano 或者 import tensorflow 等调用了 Cuda 的工具的时候会产生一些副作用，这些副作用会原样拷贝到子进程中，然后就发生错误，如：

could not retrieve CUDA device count: CUDA_ERROR_NOT_INITIALIZED

解决的方法是，保证父进程不引入这些工具，而是在子进程创建好了以后，让子进程各自引入。

如果使用 Process，那就在 target 函数里面 import。举个例子：

import multiprocessing

def hello(taskq, resultq):
    import tensorflow as tf
    config = tf.ConfigProto()
    config.gpu_options.allow_growth=True
    sess = tf.Session(config=config)
    while True:
        name = taskq.get()
        res = sess.run(tf.constant('hello ' + name))
        resultq.put(res)

if __name__ == '__main__':
    taskq = multiprocessing.Queue()
    resultq = multiprocessing.Queue()
    p = multiprocessing.Process(target=hello, args=(taskq, resultq))
    p.start()

    taskq.put('world')
    taskq.put('abcdabcd987')
    taskq.close()

    print(resultq.get())
    print(resultq.get())

    p.terminate()
    p.join()

如果使用 Pool，那么可以编写一个函数，在这个函数里面 import，并且把这个函数作为 initializer传入到 Pool 的构造函数里面。举个例子：

import multiprocessing

def init():
    global tf
    global sess
    import tensorflow as tf
    config = tf.ConfigProto()
    config.gpu_options.allow_growth=True
    sess = tf.Session(config=config)

def hello(name):
    return sess.run(tf.constant('hello ' + name))

if __name__ == '__main__':
    pool = multiprocessing.Pool(processes=2, initializer=init)
    xs = ['world', 'abcdabcd987', 'Lequn Chen']
    print pool.map(hello, xs)

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GIL

multiprocessing.Pool

更复杂的操作

使用 Theano 或者 Tensorflow 等工具时的注意事项

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