Python 并发编程--进程，线程，协程

并发编程

基本概念的区分:

• 并发
  只有一个CPU，多个程序在一个CPU上轮流执行，宏观上多个进程并发执行，但微观上依旧是串行

• 并行
  有多个CPU，多个程序在多个CPU上同时执行。
  

• 进程
  计算机中最小的资源分配单位，占用资源，数据隔离，需要操作系统进行调度，每一个程序就是一个进程，其中使用pid作为进程间的唯一标识。

• 线程
  线程必须存在于进程中，不能独立存在，不占用资源，数据共享，是能够被计算机独立运行和独立调度的最小单位 ，一个进程中可以有多个线程，但至少有一个

• 同步
  在事件A执行过程中发起事件B，只有B结束，A才能继续执行，需要等结果

• 异步
  在事件A执行过程中发起事件B，不需要B结束，A可以继续执行，不需要等结果

进程并发：

#全局执行
from multiprocessing import Process #多进程模块
import os

def fun(name,*args):
    print(name,os.getpid(),os.getppid())

print('全局执行')
if __name__ == '__main__':#因此此处也终止了死循环
    #只在主进程下执行的代码
    print('main:',os.getpid(), os.getppid())  #整个程序的主进程，和父进程
    print('只在主进程执行')

    p = list()
    proc1 = Process(target=fun,args=("lisi",)) #传参
    print('开启子进程lisi')
    proc1.start()         #在当前的主进程又创建了一个子进程，当前进程既为子进程又为父进程
    p.append(proc1)
    
    proc2 = Process(target=fun, args=('wangwu',))  # 传参
    print('开启子进程wangwu')
    proc2.start()   #异步非阻塞状态
    # p.terminate()#强制结束一个子进程
    # p.daemon =True #变为守护进程，直到主进程的代码结束，才结束
    p.append(proc2)

    for i in p: i.join() #同步阻塞；直到proc1，proc2进程都执行完，才继续执行

    print('全部子进程执行完毕')

执行结果：

全局执行
main: 19028 10944
只在主进程执行
开启子进程lisi
开启子进程wangwu
全局执行
全局执行
lisi 7820 19028
wangwu 20068 19028
全部子进程执行完毕

上面使用函数的方法创建进程，还可以用类的方法创建进程

from multiprocessing import Process #多进程模块
class P(Process):#继承自Process
    def __init__(self,a):#传参
        super().__init__()
        self.a = a
    def run(self):#必须重写run方法，类似于socketserver中必须重写handel方法
        print('way 2 %s'%self.a)
if __name__ == '__main__':
    p = P('zhangda')
    p.start()
    print(p.name,p.is_alive())#进程的名字，是否存活

执行结果：

P-1 True
way 2 zhangda

• 进程间的通信（ICP inter process communication）
  – 基于文件通信：同一台机器上的多个进程间通信
  如：socket基于文件级别的进程间数据通信（Queue队列，pipe管道）
  – 基于网络通信：一台或多台机器上的多个进程间的通信
  借助一些第三方工具，消息中间件，如：redis，kafka等

from multiprocessing import Process,Queue
def func(q):
    q.put('hello')


def producter(q):
    for i in range(10):
        q.put(i)#放一个

def consumer(q):
    for i in range(10):
        print(q.get(),end='-')#取一个

if __name__ == '__main__':
    q = Queue()  #共享数据的队列
    proc1 =  Process(target=func,args=(q,))
    proc1.daemon = True
    proc1.start()#开启1
    print(q.get())

    proc2 = Process(target=producter, args=(q,))
    proc2.start()#开启2
    
    proc3 = Process(target=consumer, args=(q,))
    proc3.start()#开启3

执行结果：

hello
0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-

• 多线程
  主线程结束，进程就会结束，守护线程随着主线程结束而结束，但如果主线程代码结束后还有子线程，会继续守护其他子线程。
  守护进程和守护线程的区别：守护进程需要主进程来回收资源，其他子线程–》主线程结束–》守护进程结束–》主进程结束–》父进程回收主进程所有资源–》守护线程被回收。

线程锁-单例模式：防止不必要的数据共享，带来数据不安全
其余操作线程与进程相似

from threading import Thread,current_thread,enumerate,active_count
from multiprocessing import Process,current_process
import time
# enumerate所有活着线程的对象
# active_count所有活着线程的数量

class A:#线程的单例模式,保护数据
    __instance = None
    from threading import Lock
    lock = Lock()
    def __new__(cls,*args, **kwargs):
        with cls.lock:#不加锁会导致线程并发，不同步，重复创建空间，三个不同的cls.__instance
            if not cls.__instance:
                time.sleep(0.01)
                cls.__instance=super().__new__(cls)
                print(cls.__instance,'new')
        return cls.__instance

def func(a):
    print('当前线程id:%d\n'%current_thread().ident)
    a = A()
    print(a)

if __name__ == '__main__':
    for i in range(3):
        t= Thread(target=func,args=(10,))
        t.start()
    print(enumerate(),active_count())

执行结果

当前线程id:4560

当前线程id:16864

当前线程id:14628

[<_MainThread(MainThread, started 20764)>, , , ] 4
<__main__.A object at 0x000001E6605D8130> new
<__main__.A object at 0x000001E6605D8130>
<__main__.A object at 0x000001E6605D8130>
<__main__.A object at 0x000001E6605D8130>

• 一定会发生数据不安全的情况

1. 数据共享，且异步
2. +=，-=，*=，/=，赋值，=计算后，数据不安全
3. if，while不在同一个线程中完成

线程间的数据安全共享的容器

from queue import Empty,Queue,LifoQueue,PriorityQueue
    #LifoQueue  先进后出，栈类型
    # Queue 先进先出，队列类型
    # PriorityQueue,优先级队列
    #Empty  queue的错误类型
    q = Queue()
    q.put(1)
    q.put_nowait(1)#易丢失数据
    print('queue:%d'%q.get())
    try:
        print(q.get_nowait())
    except Empty:
        print('no data')
    l = LifoQueue()
    l.put(10)
    l.put(20)
    print('lifoqueue:%d'%l.get_nowait())

    pro = PriorityQueue()#进行了排序
    pro.put(2222222)
    pro.put(1111111)
    print('prio:%d'%pro.get()

执行结果

queue:1
1
lifoqueue:20
prio:1111111

• 递归锁与互斥锁（Rlock,Lock）
  

• 池
  要在程序开始，还没有提交任务的时候就预先创建几个进程或者进程放在池子里。提前开好，直接使用，限制额度，整体关闭。

进程池：用于高计算场景（无io（文件操作，数据库操作，网络操作，input等）） cpu_count 线程池：一般根据io比例进行定制，cpu_count*5

进程池与线程池相似

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor,ProcessPoolExecutor
from threading import  current_thread
import time
def func(a):
    print(current_thread().ident)
    time.sleep(1)#阻塞
    return a

def print_ret(ret):
    print(ret.result())

if __name__ == '__main__':
    tp = ThreadPoolExecutor(4)#四个一组完成并发

    for i in range(5):
        ret =tp.submit(func,i)#任务提交到池，让池中的线程替你完成
        # print(ret.result)   #future未来对象,造成同步阻塞，顺序轮流执行
        ret.add_done_callback(print_ret)#回调函数，造成异步阻塞，先返回先执行
    # 或者写成下面
    # ret =tp.map(func,range(10))#可迭代参数
    # for i in ret:
    #     print(i)

执行结果

12472
3208
9412
7588
1
3208
0
2
3
4

• 协程
  操作系统不可见，本质还是一条线程，只是多个任务在一条线程上来回切换，以规避io操作带来的时间损失，达到一条线程上io操作降到最低，充分利用CPU的目的,但线程的所有切换都基于用户，用户可以感知到的io才会进行切换，所以io操作的时间间隔比线程长。

切换并规避io的模块：

1. gevent = 利用greenlet 底层模块实现切换+自动规避io
2. asyncio=利用yield 底层语法实现切换+i自动规避io

from gevent import monkey
monkey.patch_all()
import time
import gevent

def func():
    print('start')
    time.sleep(1)
    print('end')

g1 = gevent.spawn(func)
g2 = gevent.spawn(func)
g3 = gevent.spawn(func)
gevent.joinall([g1,g2,g2])
g1.join()
print('*'*10)

import asyncio

async def begin():
    print('start')
    await asyncio.sleep(1)  #可能会报错的地方，从这里切走
    print('end')

loop = asyncio.get_event_loop() #事件循环
loop.run_until_complete(begin())

执行结果

start
start
start
end
end
end
**********
start
end