Cpython解释器下实现并发编程——多进程多线程协程IO模型

Posted 2020-10-14

一、背景知识

　　进程即正在执行的一个过程。进程是对正在运行的程序的一个抽象。

　　进程的概念起源于操作系统，是操作系统最核心的概念，也是操作系统提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。操作系统的其他所有内容都是围绕进程的概念展开的。

  一、操作系统相关的知识

详情见链接：http://www.cnblogs.com/linhaifeng/p/6295875.html

　　即使可以利用的CPU只有一个（早期的计算机确实如此），也能保证支持（伪）并发的能力。将一个单独的CPU变成多个虚拟的CPU（多道技术：时间多路复用和空间多路复用+硬件上支持隔离），没有进程的抽象，现在计算机将不复存在。

  二、必备的理论基础

　　1、操作系统的作用

1 隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口
2 管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

　　2、多道技术

1、产生背景：针对单核，实现并发

    现在的主机一般是多核，那么每个核都会利用多道技术
    有4个CPU，运行于CPU1的某个程序遇到IO阻塞，会等到IO结再重新调度，会被重新调度到4个CPU中的任意一个，具体由操作系统调度算法决定。

2、空间上的复用：如内存中同时有多道程序

3、时间上的复用：复用一个CPU的时间片
    
    强调：遇到IO切，占用CPU时间过长也切，核心在切之前将进程的状态保存下来，这样才能保存下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行

二、python并发编程之多进程

  一、多进程理论部分

　　1、什么是进程

　　进程：正在进行的一个过程或者说一个任务。而负责执行任务则是CPU。

　　举例（单核+多道，实现多个进程的并发自行）

　　一个时间段有许多任务要做：下载课程的视频，洗衣服，和朋友聊天，做饭（在一个任务正在运行时，不需要人工干预时，切换做另外一件事情，设定好相应的提醒，或者定时执行动作）

　　2、进程与程序的区别

　　程序仅仅只是一堆代码而已，而进程指的是程序的运行过程。

    做蛋糕的食谱就是程序(即用适当形式描述的算法)

    计算机科学家就是处理器(cpu)

    而做蛋糕的各种原料就是输入数据。

   进程就是厨师阅读食谱、取来各种原料以及烘制蛋糕等一系列动作的总和。

　　需要强调的是：同一个程序执行两次那也是两个进程。比如一个播放器，同时播放两个视频，是两个进程。

　　3、并发与并行

　　在用户看来，无论是并行还是并发，都是‘同时’运行的；不管进程还是线程，都只是一个任务而已，真正干活的是CPU，CPU来做这些任务，而一个CPU同一时刻只能执行一个任务。

      一 并发：是伪并行，即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发，（并行也属于并发）

      二 并行：同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行

         单核下，可以利用多道技术，多个核，每个核也都可以利用多道技术（多道技术是针对单核而言的）

         有四个核，六个任务，这样同一时间有四个任务被执行，假设分别被分配给了cpu1，cpu2，cpu3，cpu4，

         一旦任务1遇到I/O就被迫中断执行，此时任务5就拿到cpu1的时间片去执行，这就是单核下的多道技术

         而一旦任务1的I/O结束了，操作系统会重新调用它(需知进程的调度、分配给哪个cpu运行，由操作系统说了算)，可能被分配给四个cpu中的任意一个去执行

所有现代计算机经常会在同一时间做很多件事，一个用户的PC（无论是单cpu还是多cpu），都可以同时运行多个任务（一个任务可以理解为一个进程）。

　　　　启动一个进程来杀毒（360软件）

　　　　启动一个进程来看电影（暴风影音）

　　　　启动一个进程来聊天（腾讯QQ）

所有的这些进程都需被管理，于是一个支持多进程的多道程序系统是至关重要的

多道技术概念回顾：内存中同时存入多道（多个）程序，cpu从一个进程快速切换到另外一个，使每个进程各自运行几十或几百毫秒，这样，虽然在某一个瞬间，一个cpu只能执行一个任务，但在1秒内，cpu却可以运行多个进程，这就给人产生了并行的错觉，即伪并发，以此来区分多处理器操作系统的真正硬件并行（多个cpu共享同一个物理内存）

　　4、同步、异步 和 阻塞、非阻塞

　　　　1、同步

所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不会返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。
#举例：
1. multiprocessing.Pool下的apply #发起同步调用后，就在原地等着任务结束，根本不考虑任务是在计算还是在io阻塞，总之就是一股脑地等任务结束
2. concurrent.futures.ProcessPoolExecutor().submit(func,).result()
3. concurrent.futures.ThreadPoolExecutor().submit(func,).result()

　　　　2、异步

异步的概念和同步相对。当一个异步功能调用发出后，调用者不能立刻得到结果。当该异步功能完成后，通过状态、通知或回调来通知调用者。如果异步功能用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这其实是一 种很严重的错误）。如果是使用通知的方式，效率则很高，因为异步功能几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别。
#举例：
1. multiprocessing.Pool().apply_async() #发起异步调用后，并不会等待任务结束才返回，相反，会立即获取一个临时结果（并不是最终的结果，可能是封装好的一个对象）。
2. concurrent.futures.ProcessPoolExecutor(3).submit(func,)
3. concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(3).submit(func,)

　　　　3、阻塞

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（如遇到io操作）。函数只有在得到结果之后才会将阻塞的线程激活。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。
#举例：
1. 同步调用：apply一个累计1亿次的任务，该调用会一直等待，直到任务返回结果为止，但并未阻塞住（即便是被抢走cpu的执行权限，那也是处于就绪态）;
2. 阻塞调用：当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用recv函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

　　　　4、非阻塞

非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前也会立刻返回，同时该函数不会阻塞当前线程。

　　　　5、小结

1. 同步与异步针对的是函数/任务的调用方式：
    同步就是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，一直等到函数（任务）完成，而进程继续处于激活状态。而异步情况下是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，不会等函数返回，而是继续往下执行当，函数返回的时候通过状态、通知、事件等方式通知进程任务完成。

2. 阻塞与非阻塞针对的是进程或线程：
    阻塞是当请求不能满足的时候就将进程挂起，而非阻塞则不会阻塞当前进程

 　　5、进程的创建

　　凡是硬件，都是需要有操作系统去管理，只要有操作系统，就有进程的概念，就需要创建进程的方式，一些操作系统只为一个应用程序设计。比如微波炉控制器。

　　　　1、对于通用系统（跑许多应用程序），需要有系统运行过程中创建或撤销进程的能力，主要分为4个形式创建新的进程

　　1. 系统初始化（查看进程linux中用ps命令，windows中用任务管理器，前台进程负责与用户交互，后台运行的进程与用户无关，运行在后台并且只在需要时才唤醒的进程，称为守护进程，如电子邮件、web页面、新闻、打印）

　　2. 一个进程在运行过程中开启了子进程（如nginx开启多进程，os.fork,subprocess.Popen等）

　　3. 用户的交互式请求，而创建一个新进程（如用户双击暴风影音）

　　4. 一个批处理作业的初始化（只在大型机的批处理系统中应用）

　　　　2、新进程的创建都是由一个已经存在的进程执行了一个用于创建进程的系统调用而创建的：

　　1. 在UNIX中该系统调用是：fork，fork会创建一个与父进程一模一样的副本，二者有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件（在shell解释器进程中，执行一个命令就会创建一个子进程）

　　2. 在windows中该系统调用是：CreateProcess，CreateProcess既处理进程的创建，也负责把正确的程序装入新进程。

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time,random
 3 
 4 class MyProcess(Process):
 5     def __init__(self,name):
 6         super(MyProcess,self).__init__()
 7         self.name=name
 8 
 9     def run(self):
10         print(‘%s is piaoing‘ %self.name)
11         time.sleep(random.randint(1,3))
12         print(‘%s is over‘ % self.name)
13 
14 
15 if __name__ == ‘__main__‘:
16     p=MyProcess(‘P1‘)
17     p.start() #仅仅只是向操作系统发送了一个创建子进程p的信号
18     print(‘主‘)

开启子进程

 　　　　3、创建子进程：unix和Windows的差异

　　1.相同的是：进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程的在其地址空间中的修改都不会影响到另外一个进程。

　　2.不同的是：在UNIX中，子进程的初始地址空间是父进程的一个副本，提示：子进程和父进程是可以有只读的共享内存区的。但是对于windows系统来说，从一开始父进程与子进程的地址空间就是不同的。

　　6、进程的终止（了解）

　　1. 正常退出（自愿，如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）

　　2. 出错退出（自愿，python a.py中a.py不存在）

　　3. 严重错误（非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，可以捕捉异常，try...except...）

　　4. 被其他进程杀死（非自愿，如kill -9）

　　7、进程层次结构

　　无论UNIX还是windows，进程只有一个父进程，不同的是：

　　1. 在UNIX中所有的进程，都是以init进程为根，组成树形结构。父子进程共同组成一个进程组，这样，当从键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员。

　　2. 在windows中，没有进程层次的概念，所有的进程都是地位相同的，唯一类似于进程层次的暗示，是在创建进程时，父进程得到一个特别的令牌（称为句柄）,该句柄可以用来控制子进程，但是父进程有权把该句柄传给其他子进程，这样就没有层次了。

　　8、进程的状态

　　tail -f access.log |grep ‘404‘

　　执行程序tail，开启一个子进程，执行程序grep，开启另外一个子进程，两个进程之间基于管道‘|‘通讯，将tail的结果作为grep的输入。

　　进程grep在等待输入（即I/O）时的状态称为阻塞，此时grep命令都无法运行

　　其实在两种情况下会导致一个进程在逻辑上不能运行，

　　1. 进程挂起是自身原因，遇到I/O阻塞，便要让出CPU让其他进程去执行，这样保证CPU一直在工作

　　2. 与进程无关，是操作系统层面，可能会因为一个进程占用时间过多，或者优先级等原因，而调用其他的进程去使用CPU。

　　因而一个进程由三种状态

　　9、进程并发的实现（了解）

　　进程并发的实现在于，硬件中断一个正在运行的进程，把此时进程运行的所有状态保存下来，为此，操作系统维护一张表格，即进程表（process table），每个进程占用一个进程表项（这些表项也称为进程控制块）

　　该表存放了进程状态的重要信息：程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所有打开文件的状态、帐号和调度信息，以及其他在进程由运行态转为就绪态或阻塞态时，必须保存的信息，从而保证该进程在再次启动时，就像从未被中断过一样。

  二、python并发编程之多进程实战

　　1、multiprocessing模块介绍

    python中的多线程无法利用多核优势，如果想要充分地使用多核CPU的资源（os.cpu_count()查看），在python中大部分情况需要使用多进程。Python提供了multiprocessing。
    multiprocessing模块用来开启子进程，并在子进程中执行我们定制的任务（比如函数），该模块与多线程模块threading的编程接口类似。

　 multiprocessing模块的功能众多：支持子进程、通信和共享数据、执行不同形式的同步，提供了Process、Queue、Pipe、Lock等组件。

    需要再次强调的一点是：与线程不同，进程没有任何共享状态，进程修改的数据，改动仅限于该进程内。

　　2、Process类的介绍

　　　　1、创建进程的类

Process([group [, target [, name [, args [, kwargs]]]]])，由该类实例化得到的对象，表示一个子进程中的任务（尚未启动）

强调：
1. 需要使用关键字的方式来指定参数
2. args指定的为传给target函数的位置参数，是一个元组形式，必须有逗号

　　　　2、参数介绍

group参数未使用，值始终为None
target表示调用对象，即子进程要执行的任务
args表示调用对象的位置参数元组，args=(1,2,‘egon‘,)
kwargs表示调用对象的字典,kwargs={‘name‘:‘egon‘,‘age‘:18}
name为子进程的名称

　　　　3、方法介绍

p.start()：启动进程，并调用该子进程中的p.run() 
p.run():进程启动时运行的方法，正是它去调用target指定的函数，我们自定义类的类中一定要实现该方法  

p.terminate():强制终止进程p，不会进行任何清理操作，如果p创建了子进程，该子进程就成了僵尸进程，使用该方法需要特别小心这种情况。如果p还保存了一个锁那么也将不会被释放，进而导致死锁
p.is_alive():如果p仍然运行，返回True

p.join([timeout]):主线程等待p终止（强调：是主线程处于等的状态，而p是处于运行的状态）。timeout是可选的超时时间，需要强调的是，p.join只能join住start开启的进程，而不能join住run开启的进程

　　　　4、属性介绍

p.daemon：默认值为False，如果设为True，代表p为后台运行的守护进程，当p的父进程终止时，p也随之终止，并且设定为True后，p不能创建自己的新进程，必须在p.start()之前设置

p.name:进程的名称

p.pid：进程的pid

p.exitcode:进程在运行时为None、如果为–N，表示被信号N结束(了解即可)

p.authkey:进程的身份验证键,默认是由os.urandom()随机生成的32字符的字符串。这个键的用途是为涉及网络连接的底层进程间通信提供安全性，这类连接只有在具有相同的身份验证键时才能成功（了解即可）

 　　3、Process类的使用

　　注意：在Windows中Process()必须放到 #if __name__ == ‘__main__‘:下

Since Windows has no fork, the multiprocessing module starts a new Python process and imports the calling module. 
If Process() gets called upon import, then this sets off an infinite succession of new processes (or until your machine runs out of resources). 
This is the reason for hiding calls to Process() inside
if __name__ == "__main__"
since statements inside this if-statement will not get called upon import.
由于Windows没有fork，多处理模块启动一个新的Python进程并导入调用模块。 
如果在导入时调用Process（），那么这将启动无限继承的新进程（或直到机器耗尽资源）。 
这是隐藏对Process（）内部调用的原，使用if __name__ == “__main __”，这个if语句中的语句将不会在导入时被调用。

详细解释

　　　　1、创建并开启子进程的两种方式

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time,random
 3 
 4 def piao(name):
 5     print(‘%s is piaoing‘ %name)
 6     time.sleep(random.randint(1,3))
 7     print(‘%s is over‘ % name)
 8 
 9 
10 if __name__ == ‘__main__‘:
11     # p=Process(target=piao,kwargs={‘name‘:‘alex‘})
12     p=Process(target=piao,args=(‘alex‘,))
13     p.start() #仅仅只是向操作系统发送了一个创建子进程p的信号
14     print(‘主‘)

开启进程方式一

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time,random
 3 
 4 class MyProcess(Process):
 5     def __init__(self,name):
 6         super(MyProcess,self).__init__()
 7         self.name=name
 8 
 9     def run(self):
10         print(‘%s is piaoing‘ %self.name)
11         time.sleep(random.randint(1,3))
12         print(‘%s is over‘ % self.name)
13 
14 
15 if __name__ == ‘__main__‘:
16     p=MyProcess(‘P1‘)
17     p.start() #仅仅只是向操作系统发送了一个创建子进程p的信号
18     print(‘主‘)

开启进程的方式二

　　练习一：把上周所学的socket通信变成并发的形式

 1 from socket import *
 2 from multiprocessing import Process
 3 
 4 server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 5 server.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1)
 6 server.bind((‘127.0.0.1‘,8080))
 7 server.listen(5)
 8 
 9 def talk(conn,client_addr):
10     while True:
11         try:
12             msg=conn.recv(1024)
13             if not msg:break
14             conn.send(msg.upper())
15         except Exception:
16             break
17 
18 if __name__ == ‘__main__‘: #windows下start进程一定要写到这下面
19     while True:
20         conn,client_addr=server.accept()
21         p=Process(target=talk,args=(conn,client_addr))
22         p.start()

server端

 1 from socket import *
 2 
 3 client=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
 4 client.connect((‘127.0.0.1‘,8080))
 5 
 6 
 7 while True:
 8     msg=input(‘>>: ‘).strip()
 9     if not msg:continue
10 
11     client.send(msg.encode(‘utf-8‘))
12     msg=client.recv(1024)
13     print(msg.decode(‘utf-8‘))

client端

　　这么实现有没有问题？？

每来一个客户端，都在服务端开启一个进程，如果并发来一个万个客户端，要开启一万个进程吗，你自己尝试着在你自己的机器上开启一万个，10万个进程试一试。
解决方法：进程池

　　　　2、Process对象的join方法

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time
 3 import random
 4 
 5 class Piao(Process):
 6     def __init__(self,name):
 7         self.name=name
 8         super().__init__()
 9     def run(self):
10         print(‘%s is piaoing‘ %self.name)
11         time.sleep(random.randrange(1,3))
12         print(‘%s is piao end‘ %self.name)
13 
14 
15 p=Piao(‘egon‘)
16 p.start()
17 p.join(0.0001) #等待p停止,等0.0001秒就不再等了
18 print(‘开始‘)

join：主进程等，等待子进程结束

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time
 3 import random
 4 def piao(name):
 5     print(‘%s is piaoing‘ %name)
 6     time.sleep(random.randint(1,3))
 7     print(‘%s is piao end‘ %name)
 8 
 9 p1=Process(target=piao,args=(‘egon‘,))
10 p2=Process(target=piao,args=(‘alex‘,))
11 p3=Process(target=piao,args=(‘yuanhao‘,))
12 p4=Process(target=piao,args=(‘wupeiqi‘,))
13 
14 p1.start()
15 p2.start()
16 p3.start()
17 p4.start()
18 
19 #有的同学会有疑问:既然join是等待进程结束,那么我像下面这样写,进程不就又变成串行的了吗?
20 #当然不是了,必须明确：p.join()是让谁等？
21 #很明显p.join()是让主线程等待p的结束，卡住的是主线程而绝非进程p，
22 
23 #详细解析如下：
24 #进程只要start就会在开始运行了,所以p1-p4.start()时,系统中已经有四个并发的进程了
25 #而我们p1.join()是在等p1结束,没错p1只要不结束主线程就会一直卡在原地,这也是问题的关键
26 #join是让主线程等,而p1-p4仍然是并发执行的,p1.join的时候,其余p2,p3,p4仍然在运行,等#p1.join结束,可能p2,p3,p4早已经结束了,这样p2.join,p3.join.p4.join直接通过检测，无需等待
27 # 所以4个join花费的总时间仍然是耗费时间最长的那个进程运行的时间
28 p1.join()
29 p2.join()
30 p3.join()
31 p4.join()
32 
33 print(‘主线程‘)
34 
35 
36 #上述启动进程与join进程可以简写为
37 # p_l=[p1,p2,p3,p4]
38 # 
39 # for p in p_l:
40 #     p.start()
41 # 
42 # for p in p_l:
43 #     p.join()

有了join，程序不就是串行了吗？？？

　　4、守护进程

　　主进程创建守护进程

　　　　其一：守护进程会在主进程代码执行结束后就停止

　　　　其二：守护进程无法再开启子进程，否则抛出异常

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time
 3 import random
 4 
 5 class Piao(Process):
 6     def __init__(self,name):
 7         self.name=name
 8         super().__init__()
 9     def run(self):
10         print(‘%s is piaoing‘ %self.name)
11         time.sleep(random.randrange(1,3))
12         print(‘%s is piao end‘ %self.name)
13 
14 
15 p=Piao(‘egon‘)
16 p.daemon=True #一定要在p.start()前设置,设置p为守护进程,禁止p创建子进程,并且父进程代码执行结束,p即终止运行
17 p.start()
18 print(‘主‘)

示例1

 1 from multiprocessing import Process
 2 import time
 3 
 4 def foo():
 5     print(123)
 6     time.sleep(1)
 7     print(‘end123‘)
 8 
 9 def bar():
10     print(456)
11     time.sleep(3)
12     print(‘end456‘)
13 
14 if __name__ == ‘__main__‘:
15     p1 = Process(target=foo)
16     p2 = Process(target=bar)
17 
18     # p1.daemon = False
19     p1.daemon = True #一定要在p1.start()前设置,设置p1为守护进程,禁止p1创建子进程,并且父进程代码执行结束,p1即终止运行
20     p1.start()
21     p2.start()
22 
23     print("主")
24 # 打印该行则主进程代码结束，则守护进程p1应该被终止，可能会有p1任务执行的打印信息123，因为主进程打印"主"，p1也执行了，但是随即被终止

主进程代码运行完毕，守护进程就会结束

　　5、进程同步锁（了解，生产使用数据库（已经做好））

进程之间数据不共享,但是共享同一套文件系统,所以访问同一个文件,或同一个打印终端,是没有问题的,

竞争带来的结果就是错乱，如何控制，就是加锁处理

 1 from multiprocessing import Process
 2 import os,time
 3 def work():
 4     print(‘%s is running‘ %os.getpid())
 5     time.sleep(2)
 6     print(‘%s is done‘ %os.getpid())
 7 
 8 if __name__ == ‘__main__‘:
 9     for i in range(3):
10         p=Process(target=work)
11         p.start()

并发运行,效率高,但竞争同一打印终端,带来了打印错乱

 1 from multiprocessing import Process,Lock
 2 import time
 3 
 4 def work(name,mutex):
 5     mutex.acquire()  #加锁,可以设定锁的时间
 6     print(‘task %s is running‘ %name)
 7     time.sleep(2)
 8     print(‘task %s is done‘ %name)
 9     mutex.release() #解锁
10 
11 if __name__ == ‘__main__‘:
12     mutex = Lock()
13     p1 = Process(target=work,args=(‘wzs‘,mutex))  #args传参数以元组的实行传
14     p2 = Process(target=work,args=(‘egon‘,mutex))  #args传参数以元组的实行传
15     p1.start()
16     p2.start()
17 
18     print(‘主‘)

由并发变成了串行,牺牲了运行效率,但避免了竞争

　　　多个进程共享一个文件：模拟抢票（文件当数据库）

1 {"count": 6}

db.txt

 1 import json
 2 import os
 3 import time
 4 from multiprocessing import Process,Lock
 5 def search():
 6     dic = json.load(open(‘db.txt‘))
 7     print(‘\\033[32m[%s] 看到剩余票数<%s> \\033[0m‘ %(os.getpid(),dic[‘count‘]))
 8 
 9 def get_tickert():
10     ‘‘‘
11     模拟抢票过程中，数据库操作
12     :return:
13     ‘‘‘
14     dic = json.load(open(‘db.txt‘))
15     time.sleep(0.5)  ##模拟读取数据库网络延迟
16     if dic[‘count‘] > 0:
17         dic[‘count‘] -= 1
18         time.sleep(0.5) ##模拟写数据库的网络延迟
19         json.dump(dic,open(‘db.txt‘,‘w‘))
20         print(‘\\033[31m[%s] 购票成功 \\033[0m‘ %os.getpid())
21 
22 def task(mutex):
23     ‘‘‘
24     抢票过程，加锁（多人操作（读写）同一份数据）
25     :param mutex:
26     :return:
27     ‘‘‘
28     search()
29     mutex.acquire()
30     get_tickert()
31     mutex.release()
32 
33 
34 if __name__ == ‘__main__‘:
35     mutex = Lock()
36     for i in range(10):
37         p = Process(target=task,args=(mutex,))
38         p.start()

模拟抢票

　　总结：

#加锁可以保证多个进程修改同一块数据时，同一时间只能有一个任务可以进行修改，即串行的修改，没错，速度是慢了，但牺牲了速度却保证了数据安全。
虽然可以用文件共享数据实现进程间通信，但问题是：
1.效率低（共享数据基于文件，而文件是硬盘上的数据）
2.需要自己加锁处理

#因此我们最好找寻一种解决方案能够兼顾：1、效率高（多个进程共享一块内存的数据）2、帮我们处理好锁问题。这就是mutiprocessing模块为我们提供的基于消息的IPC通信机制：队列和管道。
1 队列和管道都是将数据存放于内存中
2 队列又是基于（管道+锁）实现的，可以让我们从复杂的锁问题中解脱出来，
我们应该尽量避免使用共享数据，尽可能使用消息传递和队列，避免处理复杂的同步和锁问题，而且在进程数目增多时，往往可以获得更好的可获展性。
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　　6、队列（推荐使用）

   进程彼此之间互相隔离，要实现进程间通信（IPC），multiprocessing模块支持两种形式：队列和管道，这两种方式都是使用消息传递的

　　　　1、创建创建队列的类（底层就是以管道和锁定的方式实现）

Queue([maxsize]):创建共享的进程队列，Queue是多进程安全的队列，可以使用Queue实现多进程之间的数据传递。

　　　　2、参数介绍

maxsize是队列中允许最大项数，省略则无大小限制

　　　　3、方法介绍

主要方法

1 q.put方法用以插入数据到队列中，put方法还有两个可选参数：blocked和timeout。如果blocked为True（默认值），并且timeout为正值，该方法会阻塞timeout指定的时间，直到该队列有剩余的空间。如果超时，会抛出Queue.Full异常。如果blocked为False，但该Queue已满，会立即抛出Queue.Full异常。
2 q.get方法可以从队列读取并且删除一个元素。同样，get方法有两个可选参数：blocked和timeout。如果blocked为True（默认值），并且timeout为正值，那么在等待时间内没有取到任何元素，会抛出Queue.Empty异常。如果blocked为False，有两种情况存在，如果Queue有一个值可用，则立即返回该值，否则，如果队列为空，则立即抛出Queue.Empty异常. 
3 q.get_nowait():同q.get(False)
4 q.put_nowait():同q.put(False)
5 q.empty():调用此方法时q为空则返回True，该结果不可靠，比如在返回True的过程中，如果队列中又加入了项目。
6 q.full()：调用此方法时q已满则返回True，该结果不可靠，比如在返回True的过程中，如果队列中的项目被取走。
7 q.qsize():返回队列中目前项目的正确数量，结果也不可靠，理由同q.empty()和q.full()一样

其他方法（了解）

1 q.cancel_join_thread():不会在进程退出时自动连接后台线程。可以防止join_thread()方法阻塞
2 q.close():关闭队列，防止队列中加入更多数据。调用此方法，后台线程将继续写入那些已经入队列但尚未写入的数据，但将在此方法完成时马上关闭。如果q被垃圾收集，将调用此方法。关闭队列不会在队列使用者中产生任何类型的数据结束信号或异常。例如，如果某个使用者正在被阻塞在get()操作上，关闭生产者中的队列不会导致get()方法返回错误。
3 q.join_thread()：连接队列的后台线程。此方法用于在调用q.close()方法之后，等待所有队列项被消耗。默认情况下，此方法由不是q的原始创建者的所有进程调用。调用q.cancel_join_thread方法可以禁止这种行为

   #JoinableQueue([maxsize])：这就像是一个Queue对象，但队列允许项目的使用者通知生成者项目已经被成功处理。通知进程是使用共享的信号和条件变量来实现的。

   #参数介绍：
    maxsize是队列中允许最大项数，省略则无大小限制。    
　 #方法介绍：
    JoinableQueue的实例p除了与Queue对象相同的方法之外还具有：
    q.task_done()：使用者使用此方法发出信号，表示q.get()的返回项目已经被处理。如果调用此方法的次数大于从队列中删除项目的数量，将引发ValueError异常
    q.join():生产者调用此方法进行阻塞，直到队列中所有的项目均被处理。阻塞将持续到队列中的每个项目均调用q.task_done（）方法为止

    生产者消费者模型

在并发编程中使用生产者和消费者模式能够解决绝大多数并发问题。该模式通过平衡生产线程和消费线程的工作能力来提高程序的整体处理数据的速度。

    为什么要使用生产者和消费者模式

在线程世界里，生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这个问题于是引入了生产者和消费者模式。

    什么是生产者消费者模式

生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。

　　　　4、生产者消费者模型总结

    #程序中有两类角色
        一类负责生产数据（生产者）
        一类负责处理数据（消费者）
        
    #引入生产者消费者模型为了解决的问题是：
        平衡生产者与消费者之间的速度差
        
    #如何实现：
        生产者-》队列——》消费者
    #生产者消费者模型实现类程序的解耦和

　　　　5、实战

 1 from multiprocessing import Process,Queue
 2 import time,os
 3 def producer(q,name):
 4     for i in range(3):
 5         time.sleep(1)
 6         res=‘%s%s‘ %(name,i)
 7         q.put(res)
 8         print(‘\\033[45m<%s> 生产了 [%s]\\033[0m‘ %(os.getpid(),res))
 9 
10 
11 def consumer(q):
12     while True:
13         res=q.get()
14         if res is None:break
15         time.sleep(1.5)
16         print(‘\\033[34m<%s> 吃了 [%s]\\033[0m‘ % (os.getpid(), res))
17 
18 if __name__ == ‘__main__‘:
19     q=Queue()
20     #生产者们：即厨师们
21     p1=Process(target=producer,args=(q,‘包子‘))
22     p2=Process(target=producer,args=(q,‘饺子‘))
23     p3=Process(target=producer,args=(q,‘馄饨‘))
24 
25     #消费者们：即吃货们
26     c1=Process(target=consumer,args=(q,))
27     c2=Process(target=consumer,args=(q,))
28 
29     p1.start()
30     p2.start()
31     p3.start()
32     c1.start()
33     c2.start()
34 
35     p1.join()
36     p2.join()
37     p3.join()
38     q.put(None)
39     q.put(None)
40 
41     print(‘主‘)

范例一

 1 from multiprocessing import Process, JoinableQueue
 2 import time, os
 3 
 4 
 5 def producer(q, name):
 6     for i in range(3):
 7         time.sleep(1)
 8         res = ‘%s%s‘ % (name, i)
 9         q.put(res)
10         print(‘\\033[45m<%s> 生产了 [%s]\\033[0m‘ % (os.getpid(), res))
11     q.join()
12 
13 def consumer(q):
14     while True:
15         res = q.get()
16         time.sleep(1.5)
17         print(‘\\033[34m<%s> 吃了 [%s]\\033[0m‘ % (os.getpid(), res))
18         q.task_done()
19 
20 if __name__ == ‘__main__‘:
21     q = JoinableQueue()
22 
23     # 生产者们：即厨师们
24     p1 = Process(target=producer, args=(q, ‘包子‘))
25     p2 = Process(target=producer, args=(q, ‘饺子‘))
26     p3 = Process(target=producer, args=(q, ‘馄饨‘))
27 
28     # 消费者们：即吃货们
29     c1 = Process(target=consumer, args=(q,))
30     c2 = Process(target=consumer, args=(q,))
31 
32     c1.daemon=True
33     c2.daemon=True
34     p1.start()
35     p2.start()
36     p3.start()
37     c1.start()
38     c2.start()
39 
40 
41     p1.join()
42 
43     print(‘主‘)

范例二

　　7、共享数据

基于消息传递的并发编程是大势所趋

即便是使用线程，推荐做法也是将程序设计为大量独立的线程集合

通过消息队列交换数据。这样极大地减少了对使用锁定和其他同步手段的需求，

还可以扩展到分布式系统中

进程间通信应该尽量避免使用本节所讲的共享数据的方式

进程间数据是独立的，可以借助于队列或管道实现通信，二者都是基于消息传递的

虽然进程间数据独立，但可以通过Manager实现数据共享，事实上Manager的功能远不止于此

 1 from multiprocessing import Process,Manager,Lock
 2 # 不加锁，数据就乱了,是并行的
 3 def task(dic):
 4     dic[‘count‘] -=1
 5 
 6 if __name__ == ‘__main__‘:
 7     m = Manager()
 8     dic = m.dict({‘count‘:100})
 9     p_l = []
10     for i in range(100):
11         p = Process(target=task,args=(dic,))
12         p_l.append(p)
13         p.start()
14     for p in p_l:
15         p.join()
16     print(dic)

并行：不加锁顺序乱了

 1 from multiprocessing import Process,Manager,Lock
 2 # 加锁，保证数据安全（处理效率会低）
 3 def task(dic,mutex):
 4     with mutex:
 5         dic[‘count‘] -=1
 6 
 7 if __name__ == ‘__main__‘:
 8     mutex = Lock()
 9     m = Manager()
10     dic = m.dict({‘count‘:100})
11     p_l = []
12     for i in range(100):
13         p = Process(target=task,args=(dic,mutex))
14         p_l.append(p)
15         p.start()
16     for p in p_l:
17         p.join()
18     print(dic)

加锁，保证数据安全（处理效率会低）

　　8、进程池

在利用Python进行系统管理的时候，特别是同时操作多个文件目录，或者远程控制多台主机，并行操作可以节约大量的时间。多进程是实现并发的手段之一，需要注意的问题是：

1. 很明显需要并发执行的任务通常要远大于核数
2. 一个操作系统不可能无限开启进程，通常有几个核就开几个进程
3. 进程开启过多，效率反而会下降（开启进程是需要占用系统资源的，而且开启多余核数目的进程也无法做到并行）

例如当被操作对象数目不大时，可以直接利用multiprocessing中的Process动态成生多个进程，十几个还好，但如果是上百个，上千个。。。手动的去限制进程数量却又太过繁琐，此时可以发挥进程池的功效。

我们就可以通过维护一个进程池来控制进程数目，比如httpd的进程模式，规定最小进程数和最大进程数... 
ps：对于远程过程调用的高级应用程序而言，应该使用进程池，Pool可以提供指定数量的进程，供用户调用，当有新的请求提交到pool中时，如果池还没有满，那么就会创建一个新的进程用来执行该请求；但如果池中的进程数已经达到规定最大值，那么该请求就会等待，直到池中有进程结束，就重用进程池中的进程。

    创建进程池的类：如果指定numprocess为3，则进程池会从无到有创建三个进程，然后自始至终使用这三个进程去执行所有任务，不会开启其他进程

Pool([numprocess  [,initializer [, initargs]]]):创建进程池 

 　　　1、参数介绍：

1 numprocess:要创建的进程数，如果省略，将默认使用cpu_count()的值
2 initializer：是每个工作进程启动时要执行的可调用对象，默认为None
3 initargs：是要传给initializer的参数组

　　　　2、方法介绍

1 p.apply(func [, args [, kwargs]]):在一个池工作进程中执行func(*args,**kwargs),然后返回结果。需要强调的是：此操作并不会在所有池工作进程中并执行func函数。如果要通过不同参数并发地执行func函数，必须从不同线程调用p.apply()函数或者使用p.apply_async()
2 p.apply_async(func [, args [, kwargs]]):在一个池工作进程中执行func(*args,**kwargs),然后返回结果。此方法的结果是AsyncResult类的实例，callback是可调用对象，接收输入参数。当func的结果变为可用时，将理解传递给callback。callback禁止执行任何阻塞操作，否则将接收其他异步操作中的结果。
3    
4 p.close():关闭进程池，防止进一步操作。如果所有操作持续挂起，它们将在工作进程终止前完成
5 P.join():等待所有工作进程退出。此方法只能在close（）或teminate()之后调用

基本用法

1 方法apply_async()和map_async（）的返回值是AsyncResul的实例obj。实例具有以下方法
2 obj.get():返回结果，如果有必要则等待结果到达。timeout是可选的。如果在指定时间内还没有到达，将引发一场。如果远程操作中引发了异常，它将在调用此方法时再次被引发。
3 obj.ready():如果调用完成，返回True
4 obj.successful():如果调用完成且没有引发异常，返回True，如果在结果就绪之前调用此方法，引发异常
5 obj.wait([timeout]):等待结果变为可用。
6 obj.terminate()：立即终止所有工作进程，同时不执行任何清理或结束任何挂起工作。如果p被垃圾回收，将自动调用此函数

其他方法（了解）