多进程,多线程,协程实现简单举例

多进程与多线程的对比

1. 多任务的实现原理

一般地, 设计Master-Worker模式, Master负责分配任务, Worker负责执行任务, 所以在多任务环境下, 一般是由一个Master, 多个Worker.

2. 多进程

主进程就是Master, 其他进程就是Worker

• 优点:
  稳定性好:
  一个子进程崩溃了, 不会影响主进程和其他子进程. 当然的, 主进程挂了后, 所有进程就全挂了, 但是Master进程只负责分配任务, 挂掉的概率很低.

• 缺点:

  • 创建进程的代价大:
    在Unix/Linux系统下, 用fork调用还行, 在windows下创建进程开销巨大.

  • 操作系统能同时运行的进程数也是有限的:
    在内存和CPU的限制下, 如果有几千个进程同时运行, 操作系统连调度都成问题.

3. 多线程

主线程就是Master, 其他线程就是Worker

• 优点:

  多线程模式模式通常比多进程快一点, 但是也快的不多

  在windows下, 多线程的效率比多进程要高

• 缺点:

  任何一个线程挂掉都可能直接造成整个进程崩溃(所有线程共享进程的内存. 在windows上, 如果一个线程执行的代码除出了问题, 可以进程看到这样的提示:“该程序执行了非法操作, 即将关闭”, 其实往往是某个线程出了问题, 但是操作系统会强制结束整个进程)

4. 计算密集型 与 IO密集型

• 计算密集型: 适合多进程

  要进行大量的计算, 消耗CPU资源, 比如计算圆周率/对视频进行高清解码等, 全靠CPU的运算能力. 这种计算密集型任务虽然也可以用于多任务完成, 但是任务越多, 花在任务切换的时间也越多, CPU执行任务的效率就会越低. 因此, 要最高效地利用CPU, 计算密集型任务同时进行的数量应该等于CPU的核心数.

• IO密集型: 适合多线程

  设计到网络/磁盘IO的任务都是IO密集型任务, 这类任务特点是CPU消耗很少, 任务的大部分时间都在等待IO操作完成(因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度). 对于IO密集型任务, 任务越多, CPU效率越高, 但也有一个限度. 常见的大部分任务都是IO密集型任务, 比如Web任务.

进程

对于操作系统而言，一个任务就是一个进程.
进程是系统中程序执行和资源分配的基本单位。每个进程都有自己的数据段、代码段、和堆栈段.

1. 一个进程的举例:

from time import sleep

def run():
    while True:
        print("this is a  run function")
        sleep(1.2)

if __name__ == "__main__":
    while True:
        print("this is mian function")
        sleep(1)

    # 不会执行到run方法，只有上面的while循环结束才可以执行
    run()

2. 启动多个进程实现多任务:

'''
现代操作系统(Windows、Mac OS X、Linux、UNIX等)都支持“多任务”

什么叫多任务？？？
操作系统同时可以运行多个任务

单核CPU实现多任务原理：操作系统轮流让各个任务交替执行，QQ执行2us，切换到微信，在执行2us，再切换到微博，执行2us……。表面是看，每个任务反复执行下去，但是CPU调度执行速度太快了，导致我们感觉就行所有任务都在同时执行一样

多核CPU实现多任务原理：真正的秉性执行多任务只能在多核CPU上实现，但是由于任务数量远远多于CPU的核心数量，所以，操作西永也会自动把很多任务轮流调度到每个核心上执行
并发：看上去一起执行，任务书多于CPU核心数
并行：真正一起执行，任务数小于等于CPU核心数

实现多任务的方式：
1、多进程模式
2、多线程模式
3、协程模式
4、多进程+多线程模式
'''

'''
multiprocessing 库
跨平台版本的多进程模块，提供了一个Process类来代表一个进程对象
'''
from multiprocessing import Process
from time import sleep
import os

#子进程需要执行的买吗
def run(str):
    while True:
        # os.getpid()获取当前进程id号
        # os.getppid()获取当前进程的父进程id号
        print("str %s, current process %s,  parrent process %s"%(str, os.getpid(), os.getppid()))
        sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    print("主(父)进程启动-%s"%(os.getpid()))
    #创建子进程
    #target说明进程执行的任务
    p = Process(target=run, args=("first",))
    #启动进程
    p.start()
    # sleep(1)
    while True:
        print("main process : while True")
        sleep(1)
        
# 主(父)进程启动-21240
# main process : while True
# main process : while True
# str first, current process 17920,  parrent process 21240
# main process : while True
# str first, current process 17920,  parrent process 21240
# main process : while True
# str first, current process 17920,  parrent process 21240
# ...

3. 使用 .join() 等待子进程结束后再执行父进程

from multiprocessing import Process
from time import sleep
import os

def run(string_):
    print("子进程启动")
    sleep(string_)
    print("子进程结束")

if __name__ == "__main__":
    print("父进程启动")

    p = Process(target=run, args=("nice",))
    p.start()

    #父进程的结束不能影响子进程，让父进程等待子进程结束再执行父进程
    p.join()
    print("父进程结束")
# 父进程启动
# 子进程启动
# nice
# 子进程结束
# 父进程结束

# 如果不加 p.join() 的运行结果:
# 父进程启动
# 父进程结束
# 子进程启动
# nice
# 子进程结束

4. 全局变量在多个进程中不能被共享

from multiprocessing import Process

num = 100

def run():
    print("子进程开始")
    global num # num = 100
    num += 1
    print(num)
    print("子进程结束,num={0}".format(num))

if __name__ == "__main__":
    print("父进程开始")

    p = Process(target=run)
    p.start()
    p.join()

    # 在子进程中修改全局变量对父进程中的全局变量没有影响
    # 在创建子进程时对全局变量做了一个备份，父进程中的与子进程中的num是完全不同的两个变量
    print("父进程结束,num=%d"%num)
    
# 父进程开始
# 子进程开始
# 101
# 子进程结束,num=101
# 父进程结束,num=100

5. 使用进程池 启动多个子进程

from multiprocessing import Pool
import os, time, random

def run(name):
    print("子进程%d启动--%s" % (name, os.getpid()))
    start = time.time()
    time.sleep(random.choice([1,2,3]))
    end = time.time()
    print("子进程%d结束--%s--耗时%.2f" % (name, os.getpid(), end-start))

if __name__ == "__main__":
    print("父进程启动")
    # 使用进程池 Pool: 创建多个进程
    # 表示可以同时执行的进程数量
    # Pool默认大小是CPU核心数
    # pp = Pool(1)        # 一个进程启动,结束后再启动下一个
    pp = Pool(2)   				# 两个进程启动,结束后再启动下两个
    for i in range(6):
        #创建进程，放入进程池统一管理
        pp.apply_async(run,args=(i,))
    # pp.apply_async(run_new)  # 也可以增加其他进程

    #在调用join之前必须先调用close,调用close之后就不能再继续添加新的进程了
    pp.close()
    #进程池对象调用join，会等待进程池中所有的子进程结束完毕再去执行父进程
    pp.join()

    print("父进程结束")

举例: 多进程来拷贝文件

import os, time
from multiprocessing import Pool
# 实现文件的拷贝
def copyFile(rPath, wPath):
    fr = open(rPath, "rb")
    fw = open(wPath, "wb")
    context = fr.read()
    fw.write(context)
    fr.close()
    fw.close()

path = r"D:\file"
toPath =r"D:\toFile"

if __name__ == "__main__":
    # 读取path下的都有的文件
    filesList = os.listdir(path)

    start = time.time()
    pp = Pool(4)
    for fileName in filesList:
        pp.apply_async(copyFile, args=(os.path.join(path,fileName), os.path.join(toPath,fileName)))

    pp.close()
    pp.join()
    end = time.time()
    print("总耗时：%0.2f" % (end-start))

6. 简单的进程间通信_Queue

from multiprocessing import Process, Queue
import os, time

def write(q):
    print("启动写子进程%s" % (os.getpid()))
    for chr in ["A", "B", "C", "D"]:
        q.put(chr)
        time.sleep(1)
    print("结束写子进程%s" % (os.getpid()))

def read(q):
    print("启动读子进程%s" % (os.getpid()))
    while True:
        value = q.get(True)
        print("value = " + value)
    print("结束读子进程%s" % (os.getpid()))  # 执行不到该行

if __name__ == "__main__":
    #父进程创建队列，并传递给子进程
    q = Queue()
    pw = Process(target=write, args=(q,))
    pr = Process(target=read, args=(q,))

    pw.start()
    pr.start()

    pw.join()
    #pr进程里是个死循环，无法等待其结束，只能强行结束
    pr.terminate()

    print("父进程结束")

7. 封装进程对象

from multiprocessing import Process
import os, time

class MyProcess(Process):      # 继承 Process 类
    def __init__(self,name):
        Process.__init__(self)
        self.name = name

    def run(self):
        print("子进程(%s-%s)启动" % (self.name, os.getpid()))
        #子进程的功能
        time.sleep(3)
        print("子进程(%s-%s)结束" % (self.name, os.getpid()))
        
myProcess = MyProcess("zyp")
myProcess.run()
# 子进程(zyp-13804)启动
# 子进程(zyp-13804)结束      

线程

1. 线程

'''
在一个进程的内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，
我们把进程内的这些“子任务”叫做线程

线程通常叫做轻型的进程。线程是共享内存空间的并发执行的多任务，
每一个线程都共享一个进程的资源,共享一个堆栈.

线程是最小的执行单元，而进程由至少一个线程组成。
如何调度进程和线程，完全由操作系统绝对，程序自己不能决定什么时候执行，执行多长时间

模块
1、_thread模块       低级模块
2、threading模块     高级模块，对_thread进行了封装
'''

2. 启动一个线程

import threading, time

def run(num):
    print("子线程(%s)开始" % (threading.current_thread().name))
    # 实现线程的功能
    time.sleep(2)
    print("num:", num)
    time.sleep(2)
    print("子线程(%s)结束" % (threading.current_thread().name))

if __name__ == "__main__":
    # 任何进程默认就会启动一个线程，称为主线程，主线程可以启动新的子线程
    # current_thread()：返回返回当前线程的实例
    print("主线程(%s)启动" % (threading.current_thread().name))

    # 创建子线程                     线程的名称
    t = threading.Thread(target=run, name="runThread", args=(1,))
    t.start()

    # 等待线程结束
    t.join()

    print("主线程(%s)结束" % (threading.current_thread().name))

3. 线程间的共享数据

多线程和多进程最大的不同在于，
多进程中，同一个变量，各自有一份拷贝存在每个进程中，互不影响。
多线程中，所有变量都由所有线程共享。所以，任何一个变量都可以被任意一个线程修改，
因此，线程之间共享数据最大的危险在于多个线程同时修改一个变量，容易把内容改乱了。

import threading

num = 0

def run(n):
    global num
    for i in range(1000000):
        num = num + n    #  15 = 9 + 6
        num = num - n    #  9

if __name__ == "__main__":
    iTimeStart = time.time()
    t1 = threading.Thread(target=run, args=(6,))
    t2 = threading.Thread(target=run, args=(9,))
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    print("num =",num)
    iTimeEnd = time.time()
    print(iTimeEnd - iTimeStart)   # 1.1113207340240479

4. 线程锁解决数据混乱

import threading
import time

# 锁对象
lock = threading.Lock()

num = 0
def run(n):
    global num

    for i in range(1000000):
        # 锁 Lock 确保了这段代码只能由一个线程从头到尾的完整执行
        # 阻止了多线程的并发执行，包含锁的某段代码实际上只能以单线程模式执行，所以效率大大滴降低了
        # 由于可以存在多个锁，不同线程持有不同的锁，并试图获取其他的锁，可能造成死锁，导致多个线程挂起。只能靠操作系统强制终止
        '''
        lock.acquire()
        try:
            num = num + n    
            num = num - n   
        finally:
            #修改完一定要释放锁
            lock.release()
        '''
        #与上面代码功能相同，with lock可以自动上锁与解锁
        with lock:
            num = num + n
            num = num - n

if __name__ == "__main__":
    iTimeStart = time.time()
    t1 = threading.Thread(target=run, args=(6,))
    t2 = threading.Thread(target=run, args=(9,))
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    print("num =",num)
    iTimeEnd = time.time()
    print(iTimeEnd - iTimeStart)     # 6.983535051345825
# 通过对比时间, 发现加锁后运行所需要的时间是 不加锁的近乎5倍以上!

5. 创建全局的ThreadLocal 对象

创建一个全局的ThreadLocal对象
每个线程有独立的存储空间
每个线程对ThreadLocal对象都可以读写，但是互不影响

import threading

# 创建全局ThreadLocal对象:
local = threading.local()

def process_student():
    # 获取当前线程关联的student:
    print('local.student: %s , current_thread : %s' % (local.student, threading.current_thread().name))

def process_thread(stu_name):
    # 绑定ThreadLocal的student:
    local.student = stu_name
    process_student()

t1 = threading.Thread(target= process_thread, args=('Alice',), name='Thread-A')
t2 = threading.Thread(target= process_thread, args=('Bob',), name='Thread-B')
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
# local.student: Alice , current_thread : Thread-A
# local.student: Bob , current_thread : Thread-B

'''
全局变量local就是一个ThreadLocal对象，每个Thread对它都可以读写student属性，但互不影响。
你可以把local看成全局变量，但每个属性如local.student都是线程的局部变量，
可以任意读写而互不干扰，也不用管理锁的问题，ThreadLocal内部会处理。
可以理解为全局变量local是一个dict，不但可以用local.student，还可以绑定其他变量，
如local.teacher等等。
应用:ThreadLocal最常用的地方就是为每个线程绑定一个数据库连接，HTTP请求，用户身份信息等，
这样一个线程的所有调用到的处理函数都可以非常方便地访问这些资源。
'''

小结
一个ThreadLocal变量虽然是全局变量，但每个线程都只能读写自己线程的独立副本，互不干扰。
ThreadLocal解决了参数在一个线程中各个函数之间互相传递的问题。

import threading, time

local = threading.local()  # 创建一个全局的ThreadLocal对象

num = 0  # 将线程中需要访问的变量绑定到全局ThreadLocal对象上

def run(x, n):
    x = x + n
    x = x - n
    return  x

def func(n):
    #每个线程都有local.x，就是线程的局部变量
    local.x = num							 # 在线程调用的函数中, 将访问的变量和ThreadLock绑定
    for i in range(1000000):
        run(local.x, n)
    print("%s-  local.x =%d"%(threading.current_thread().name, local.x))

if __name__ == "__main__":
    iTimeStart = time.time()
    t1 = threading.Thread(target=func, args=(6,))
    t2 = threading.Thread(target=func, args=(9,))
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()

    print("num =",num)
    iTimeEnd = time.time()
    print(iTimeEnd - iTimeStart)   # 1.6630573272705078
# 不仅不会导致数据混乱, 而且所用时间已经接近不加锁的时间.

6. 定时线程

import threading, time

def run():
    print("sunck is a good man")

#延时执行线程
t = threading.Timer(3, run)
t.start()
t1 = time.time()

t.join()
t2 =time.time()
print("父线程结束")
print(t2 - t1)

7. 线程通信

import threading, time

def func():
    #事件对象
    event = threading.Event()
    def run():
        for i in range(5):
            #阻塞，等待事件的触发
            event.wait()
            #重置
            # event.clear()
            print("sunck is a good man!!%d"%i)
    t = threading.Thread(target=run).start()
    return event

e = func()

#触发事件
for i in range(5):
    time.sleep(2)
    e.set()

8. 生产者与消费者

import threading,queue,time,random

#生产者
def product(id, q):
    while True:
        num = random.randint(0, 10000)
        q.put(num)
        print("生产者%d生产了%d数据放入了队列" % (id, num))
        time.sleep(3)
    #任务完成
    q.task_done()

#消费者
def customer(id, q):
    while True:
        item = q.get()
        if item is None:
            break
        print("消费者%d消费了%d数据" % (id, item))
        time.sleep(2)
    # 任务完成
    q.task_done()

if __name__ == "__main__":
    # 消息队列
    q = queue.Queue()

    # 启动生产者
    for i in range(4):
        threading.Thread(target=product, args=(i,q)).start()

    # 启动消费者
    for i in range(3):
        threading.Thread(target=customer, args=(i,q)).start()

协程

子程序/函数：在所有语言中都是层级调用，比如A调用B，在B执行的过程中又可以调用C，C执行完毕返回，B执行完毕返回，最后是A执行完毕。是通过栈实现的，一个线程就是执行一个子程序，子程序调用总是一个入口，一次返回，调用的顺序是明确的

概述：看上去也是子程序，但执行过程中，在子程序的内部可中断，然后转而执行别的子程序，不是函数调用。

1. 协程举例

# Python对协程的支持是通过generator实现的
def run():
    print('start')
    print(1)
    yield 10
    print(2)
    yield 20
    print(3)
    yield 30

# 协程的最简单风格，控制函数的阶段执行，节约线程或者进程的切换
# 返回值是一个生成器
m = run()
next(m)   # 1
next(m)		# 2
next(m)		# 3
# print(next(m))		# 1  10
# print(next(m))		# 2  20
# print(next(m))		# 3  30

2. 数据传输

def run():
    #空变量，存储的作用data始终为空
    data = ""
    print(0, data)
    r = yield data  # 接受除了第二个send来的数据( 第一个send 的是None 来启动)

    print(1, r, data)
    r = yield "aa"

    print(2, r, data)
    r = yield "bb"

    print(3, r, data)
    r = yield "cc"

m = run()
#启动m, 首先需要使用 send(None)
m.send(None)
print("-----------")
print(1,m.send("a"))
print("-----------")
print(2,m.send("b"))
print("-----------")
print(3,m.send("c"))

3. 生产者与消费者

def product(c):
    c.send(None)
    for i in range(5):
        print("生产者产生数据%d"%i)
        r = c.send(str(i))
        print("消费者消费了数据%s"%r)
    c.close()
def customer():
    data = ""
    while True:
        n = yield data
        if not n:
            return
        print("消费者消费了%s"%n)
        data = "200"
c = customer()
product(c)