Python多进程计算圆周率 Pi (π) 的值（ProcessPoolExecutor）

Posted 2021-09-11 Xavier Jiezou

文章目录

• 引言
• 方法
• 实验
• • 设备
  • 结果
• 结论
• 参考
• 其它
• 源码

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引言

在上一篇文章中，给大家分享了使用蒙特卡罗法和公式法编写计算圆周率 Pi (π) 的 Python 代码。但发现了一个问题，计算速度很慢。计算圆周率属于计算密集型任务（也叫CPU密集型任务），区别于 IO 密集型任务，即 CPU 占用较大，而数据传输或磁盘等占用较小。对于 CPU 密集型任务，使用多进程能充分使用 CPU 的多个核心，极大地提高计算速度。

方法

使用如下公式计算圆周率 Pi (π) 的值：
$$\pi =\sum _{n=0}^{\infty }[\frac{1}{16^n}(\frac{4}{8n+1}-\frac{2}{8n+4}-\frac{1}{8n+5}-\frac{1}{8n+6})]$$

实验

设备

8 × Intel® Core™ i5-8300H CPU @ 2.30GHz 2.30 GHz

结果

迭代次数为 10000 时，进程池的不同最大进程数的耗时情况如下：（计算的 PI 值为 3.141592653589793）

进程池的最大进程数	耗时（评测 10 次，单位：秒）
1	53.55±1.98
2	42.17±1.49
4	28.01±0.77
8	21.73±0.51
16	19.93±0.48
32	20.51±0.37
61	22.65±0.84

备注：进程池的最大进程数必须小于或等于 61，否则会报错。

结论

从测试结果来看，进程池的最大进程数为 16 时，计算速度最快，耗时最短，比单进程快了两倍多；为 8 和 32 时，耗时也和 16 相差不多，32 以后耗时就变长了。因此，使用多进程编程时，一般进程池最大进程数设置为 CPU 的核心数就行。

参考

https://docs.python.org/3/library/concurrent.futures.html#processpoolexecutor

其它

多线程是不适合于计算密集型任务的，这里也评测了一下，结果如下：

线程池的最大线程数	耗时（仅评测 1 次，单位：秒）
1	48
2	47
4	55

源码

import concurrent.futures as cf
from tqdm import tqdm
import os


class CalculatePI(object):
    """Calculate the value of π by multi process

    Args:
        num_iterations (int): Number of iterations. Default: 100000
        max_workers (int): Maximum number of processes. Default: the number of processors on the machine.
    """

    def __init__(self, num_iterations: int = 100000, max_workers: int = os.cpu_count()) -> None:
        """Initialization

        Args:
            num_iterations (int): Number of iterations. Default: 100000
            max_workers (int): Maximum number of processes. Default: the number of processors on the machine.
        """
        self.num_iterations = num_iterations
        self.max_workers = max_workers

    def __calc__(self, start: int, end: int) -> float:
        """Calculate the value of π according to formula

        Args:
            start (int): Starting value for the iterations
            end (int): Ending value for the iterations

        Returns:
            float: Value of π
        """
        PI = 0
        for n in tqdm(range(start, end)):
            PI += 1/pow(16, n) * (4/(8*n+1) - 2 / (8*n+4) - 1/(8*n+5) - 1/(8*n+6))
        return PI

    def __main__(self) -> float:
        """Calulate the value of π by multi process

        Returns:
            float: Value of π
        """
        PI = 0
        with cf.ProcessPoolExecutor(self.max_workers) as p:
            futures = []
            for i in range(self.max_workers):
                start = i*self.num_iterations//self.max_workers
                end = (i+1)*self.num_iterations//self.max_workers
                futures.append(p.submit(self.__calc__, start, end))
            for future in cf.as_completed(futures):
                PI += future.result()
        return PI


if __name__ == '__main__':
    print(CalculatePI().__main__())