Python中的协程、线程和进程

一.协程与多线程和多进程一起使用有什么不同

  协程、多线程和多进程都是实现程序并发执行的方法，不过它们在工作方式和适合的应用场景上存在一些区别。

1.协程（Coroutine）

  协程是在单一线程内部实现并发的，由于只涉及单一线程，不存在多线程中常见的数据竞争等线程同步问题。当协程遇到 IO 操作（如文件读写、网络请求）时，它会将控制权让给其他协程，直到 IO 操作完成。因此，协程适合用于 IO 密集型任务。

2.多线程（Multithreading）

  多线程通过在单个进程中同时运行多个线程来实现并发。每个线程可以独立执行并拥有自己的调用堆栈，但线程之间可以共享进程的内存空间，从而方便地共享状态。需要注意的是，由于存在数据共享，数据同步（如通过锁）会是多线程编程的一个常见问题。多线程适合用于既有计算密集型任务，又有 IO 密集型任务的场景。

3.多进程（Multiprocessing）

  多进程通过并行运行多个进程来实现，并且每个进程有自己独立的内存空间。进程间的通信（IPC）通常通过使用管道、套接字等完成，这比线程间的状态共享更复杂。由于多进程不共享内存，它在需求中有严格的隔离性或是利用多核并行计算时是个好选择。

  需要注意在 Python 中，由于全局解释器锁（GIL）的存在，即使是在多核 CPU 环境下，Python 的多线程在执行 CPU 密集型任务时性能得不到明显提升，反而多进程可以更好利用多核 CPU。所以对于 Python 来说，协程是最适合 IO 密集型任务，而对于 CPU 密集型任务可以选择多进程。

二.在 Python 中如何实现多线程和多进程

  在 Python 中实现多线程和多进程可以使用 Python 标准库中的 threading 和 multiprocessing 模块。

1.在 Python 中创建和使用多线程的一个基本示例

import threading

def print_numbers():
    for i in range(10):
        print(i)

def print_letters():
    for letter in 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz':
        print(letter)

# 创建线程
thread1 = threading.Thread(target=print_numbers)
thread2 = threading.Thread(target=print_letters)

# 启动线程
thread1.start()
thread2.start()

# 等待线程执行完成
thread1.join()
thread2.join()

  在上面的代码中，我们定义了两个函数 print_numbers 和 print_letters，然后以这两个函数作为目标创建了两个线程。start 方法用于启动线程，join 方法用于等待线程执行完成。

2.在 Python 中创建和使用多进程的一个基本示例

import multiprocessing

def print_numbers():
    for i in range(10):
        print(i)

def print_letters():
    for letter in 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz':
        print(letter)

# 创建进程
process1 = multiprocessing.Process(target=print_numbers)
process2 = multiprocessing.Process(target=print_letters)

# 启动进程
process1.start()
process2.start()

# 等待进程执行完成
process1.join()
process2.join()

  在上面的代码中，我们创建和使用多进程的方式与多线程基本一致，只是将 threading.Thread 换成了 multiprocessing.Process。

三.Python 中的多线程间通讯方式，多进程间间通讯方式分别有哪些

  使用这些方式时需要保证进程间通信和线程同步的安全性，防止出现数据竞争、死锁等问题。

1.Python 中多线程间通讯方式

  由于线程共享进程的内存空间，可以直接访问共享变量进行通信。但需要注意的是，必须保证操作的原子性，避免在多线程环境下产生数据竞争。Python 中常用来保证多线程安全的工具包含：

• 锁：包括互斥锁（Lock），可重入锁（RLock），条件变量（Condition），信号量（Semaphore）等；
• 队列：queue 模块提供了同步队列（Queue）、LIFO 队列（LifoQueue）以及优先级队列（PriorityQueue），这些队列都是线程安全的，可以在不同线程之间交换数据，非常方便。

2.Python 中多进程间通讯方式

  因为进程拥有各自的内存空间，不能直接共享变量，通常可以通过以下方式进行通信：

• 管道（Pipe）：multiprocessing 模块中的 Pipe()函数 可以返回一个管道的两个端点，可以分别发放给两个进程，让它们通过管道的方式进行通信；
• 队列（Queue）：multiprocessing 模块提供的 Queue 类是一个具有先进先出特性的队列，也是进程安全的，方便多个进程之间的数据交换；
• 共享内存：multiprocessing 模块中的 Value 或 Array，能在多个进程间共享；
• 服务器进程：一个由 Manager() 函数返回的管理器对象控制的服务器进程，这个进程包含的 python 对象，可以被其他进程通过代理进行访问。如果有大量的共享数据，这种方式可能会比更底层的共享方式更合适。

四.nest_asyncio 库

  解决 Python 的原生 asyncio 库不允许在同一个线程中运行多个事件循环的问题，即 RuntimeError: This event loop is already running。如下所示：

import nest_asyncio
nest_asyncio.apply()

async def main():
    await asyncio.sleep(1)
    print('Hello, World!')

asyncio.run(main())

  这个例子即使在运行一个事件循环的环境中（如 Jupyter notebook），这段代码也可以正常运行。这是因为 nest_asyncio.apply() 允许在同一线程中运行多个事件循环。

参考文献

[1] asyncio（异步 I/O）：https://docs.python.org/zh-cn/3/library/asyncio.html

[2] https://github.com/erdewit/nest_asyncio

[3] https://docs.python.org/3/library/threading.html

[4] https://docs.python.org/3/library/multiprocessing.html